Мы ежедневно сталкиваемся с миром цифровой техники — узнаем время по электронным часам, ведем расчеты на карманных микрокалькуляторах и персональных компьютерах. Цифровые устройства считают пассажиров на пропускных пунктах в метро. Цифровые кассовые аппараты установлены в большинстве магазинов, цифровые кредитные карточки принимают уличные телефоны-автоматы. Цифровые блоки управления встраиваются сегодня во всю бытовую технику: в телевизоры, музыкальные центры, микроволновые печи, пылесосы, стиральные машины, холодильники. Цифровая техника позволяет свести до минимума участие человека в производственных процессах: многие серийные линии выпуска продукции управляются компьютерами.

Основатель корпорации «Intel» Роберт Нойс писал о вычислительной технике следующее: «Так же, как промышленная революция дала человеку возможность применять большую физическую силу, чем могли обеспечить его собственные мускулы, цифровая электроника увеличила силу его интеллекта». Давайте же познакомимся с основами цифровых устройств, занявших сегодня в электронике одно из ведущих мест.

 

Немного об истории возникновения цифровой техники

Вспомним «юморящего» на компьютерные темы Егора Холмогорова и попытаемся понять, когда началась эпоха цифровой микроэлектроники. «Следующей за изобретением транзистора крупной вехой в человеческой истории стало изобретение в 11 году «компьютерной эры» (1958) первой интегральной схемы. На сей раз постарался 34-летний американец и по совместительству — инженер-электротехник компании Texas Instruments Джек Килби, решивший зачем-то запихать несколько различных полупроводниковых элементов в Один корпус. Работы над реализацией этой уникальной идеи длились несколько лет, и в конце концов Килби удалось достичь положительного результата: он умудрился разместить в одном полупроводниковом блоке схему, состоящую аж из десяти транзисторов. Спустя еще полтора года, когда все это наконец заработало, он представил результат своего творчества восхищенной публике, проложив для населения Земли еще одну ступеньку в будущее — к появлению первого в мире полупроводникового микропроцессора». А фотография той самой первой микросхемы, в свое время обошедшей множество мировых научно-технических журналов, представлена на лазерном компакт-диске, прилагаемом к этой книге. Она мало напоминает современные образцы, но… лиха беда начало!

В одном старинном детском мультфильме, наверняка известном всем читателям этой книги, анимированная зверушка долго обижалась на такую же зверушку, бормотавшую считалочку. Обида выразилась так: «Он меня сосчитал!».

И правда, если перейти от сказки к реальности, человечество всегда интересовали количественные оценки тех или иных процессов. Ведь сосчитать — значит дать определение, оценить, лишить загадочности. Но считать на пальцах или на бумажке не слишком удобно, особенно когда приходится это делать многократно. Поэтому пытливые умы человечества издавна пытались как-то автоматизировать процесс счета. Автомату совершенно неважно, что ему считать: алмазы в каменных пещерах или ворон в небе.

Одна из первых попыток создать автоматический вычислитель относится примерно к 1623 г., когда Вильгельм Шикард (1592–1635) создал устройство под названием «вычисляющие часы». Машина Шикарда производила сложение, вычитание и могла работать с семизначными числами; о переполнении сигнализировал звонок. Вычислитель не заинтересовал «широкую общественность», и он вместе с чертежами пропал в сумятице войны, разразившейся тогда в Европе. В 1935 г. чертежи нашлись, но Вторая мировая война опять куда-то их затеряла. Второй раз чертежи обнаружились в 1956 г., и в 1960-м «вычисляющие часы»- восстановили, убедившись в полной работоспособности детища Шикарда.

Более удачливым в коммерческом использовании вычислительных механических устройств оказался знаменитый французский ученый Блез Паскаль (1623–1662) , который в 1644 г. придумал «паскалин» — пятиразрядную арифметическую машину. Современные оценки этой машины свидетельствуют о том, что «паскалин» не мог вычитать числа, и выходил из строя значительно чаще, чем «вычисляющие часы». Однако Паскаль умудрился-таки продать около двух десятков «паскалинов», часть из которых дошла до нашего времени.

Позже, в 1674 т., знаменитый математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646–1716) разработал «пошаговый вычислитель» со сложной системой подвижных грузов. Вычислитель Лейбница имел возможность умножать числа при максимально возможной разрядности до 16. Ввод цифр приходилось выполнять при помощи рычажков, затем осуществлялись сложные повороты, требовавшие в каждом конкретном случае отдельных поправок. Непригодная к практическому использованию машина Лейбница была заброшена им на чердак, где ее обнаружили только в 1879 г.

Первый настоящий коммерческий успех в области вычислительной техники в истории закрепился за Шарлем Ксавье Томасом де Кольмаром (1785–1870) , который в 1820 г. придумал арифмометр — механический прототип современного микрокалькулятора. Арифмометр выполнял четыре действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Причем машина отличалась крайней простотой в работе, из-за чего мгновенно заняла место на столах счетоводов Европы. За арифмометром де Кольмара пока закреплен мировой рекорд по продолжительности продаж вычислительной техники — почти 80 лет коммерческого успеха!

Простые вычислительные устройства, к которым в числе прочих относятся современные микрокалькуляторы, не имеют возможности программирования действий. Пользователю надо постоянно нажимать кнопки, чтобы получить результат. Поэтому даже в эпоху механических вычислений задумывались о том, каким образом автоматически производить не только отдельные действия, но задавать и их последовательность. Мы не будем рассказывать о других попытках создания механических машин, так как таких примеров в истории техники предостаточно, упомянем лишь два интересных факта.

«Аналитическая машина» Чарлза Беббиджа образца 1840 г. имела механическую память на 100 сорокаразрядных чисел и, что самое интересное, в ней впервые была сделана попытка программирования последовательности действий, которая задавалась на специальных перфокартах. Машина Беббиджа складывала числа за 3 секунды, а умножала их уже за 3–4 минуты. Другое перфокарточное вычислительное устройство сконструировал в конце XIX в. Герман Холлерит. Информация здесь кодировалась отверстиями в специальных бумажных картах и считывалась с помощью электромеханического устройства. Машину Холлерита в 1880 г. использовало Бюро переписи населения США при обработке данных. В 1897 г. Россия купила этот счетный агрегат, проводя собственную перепись населения.

Первая треть XX в. — время вычислительных машин, построенных на основе реле. В 1935 году американская корпорация IBM выпустила на рынок машину IBM-601, умножавшую числа за 1 секунду. Машина, несмотря на ее громоздкость, пользовалась большим успехом у инженеров, ученых и представителей бизнеса. Компания продала более полутора тысяч экземпляров этой модели. А спустя 4 года, в 1939-м, специалисты вездесущей Bell Labs создали первый калькулятор с кнопочной клавиатурой. Этот агрегат содержал около 450 реле, три кнопочные клавиатуры могли быть установлены в разных комнатах, наподобие современных систем «клиент-сервер», однако во время сеанса счета использовалась только одна клавиатура — остальные отключались.

Вторая мировая война «подстегнула» работы по созданию мошной вычислительной техники, и уже в 1943 году ученый Говард Айкен (1900–1973) , специалист компании IBM, построил первую электронную программируемую машину «Harvard Mark I». Пятнадцатиметровое сооружение весило 5 тонн и состояло из 750 тысяч деталей! Вывод результатов осуществлялся на печатающее устройство. Операция сложения занимала в этой машине 0,3 секунды, а умножала машина за 1 секунду.

Послевоенное время — время огромных вычислительных машин, построенных на электронных лампах. В ноябре 1945 г. в США завершено создание машины «ENIAC» (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Вычислительная машина ENIAC

Отпущенный на ее создание бюджет разработчики превысили втрое, но все же создали работоспособную машину, не имеющую ни одной механической детали в электрической схеме. ENIAC включал в себя 17468 электронных ламп, 80000 других электронных компонентов, весил более 30 тонн. Эта машина могла работать с десятиразрядными числами со знаком, а ввод программы осуществлялся через панель переключателей и занимал не меньше недели. ENIAC использовали при расчете военно-ракетной техники, обработке метеорологических сводок, расчетов в области атомной энергетики, изучения космических излучений.

Недолго длился век ламповых компьютеров. С изобретением транзисторов происходит революция в вычислительной технике. В 1957 г. фирма IBM создает компьютер «переходного периода» RAM АС, в котором использовались и электронные лампы, и транзисторы. Этот компьютер, хотя стоил по тем временам очень дорого, все же начал занимать места не только в ведущих университетах, но и в офисах крупных компаний. Примерно в это же время в Советском Союзе ведутся работы по созданию компьютеров для военных и гражданских целей.

В начале 60-х гг. XX в. появляются ЭВМ серий «М», «Урал», «Минск», «Днепр». Верхом отечественной инженерной мысли считается машина «БЭСМ-6» (Большая Электронная Счетная Машина), состоявшая из 40 тысяч транзисторов и производившая около 1 миллиона операций в секунду (есть фото на CD).

Что происходит дальше? А дальше лидерство в вычислительной технике захватывают американские специалисты, и положение остается таковым по настоящее время. В 1959 году

IBM создает первый персональный универсальный транзисторный компьютер с производительностью 229 тысяч операций в секунду. Эти компьютеры использовались в системе раннего предупреждения о нападении баллистических ракет на США.

Привычный на сегодняшний день внешний вид компьютера родился в 1960 году, когда компания DEC выпустила на рынок PDP-1 с монитором и клавиатурой. Размером персональный компьютер был с хороший холодильник, выполнял операции с 18-разрядными числами и стоил порядка 150 тысяч долларов, но тем не менее покупателей оказалось много.

К концу 1960 г. слово «компьютер» стало одним из наиболее модных. Вот как распределялось количество вычислительных машин во всем мире на тот момент: США — 3612, ФРГ — 172, Франция — 60, Япония — 37. Фирма IBM стала самым успешным производителем компьютерной техники: ее годовой оборот в 1957-м превысил 1 млрд долларов!

Сегодняшний рынок персональных компьютеров можно назвать рынком с достаточной степенью условности: огромная доля основных компонентов приходится на фирму Intel, которая производит микропроцессоры — сердце современных компьютеров. О микропроцессорах и их младших братьях — микроконтроллерах — мы поговорим в завершений этой главы, а сейчас наш рассказ о том, почему фирма Intel заняла ведущее место в области производства персональных компьютеров..

В 1965 г., работая над статьей для научного журнала, сотрудник компании Fairchild Semiconductor, специалист в области микроэлектроники, Гордон Мур обнаружил, что с момента начала производства в 1959 г. интегральных микросхем их сложность — насыщенность элементами — ежегодно возрастала почти вдвое. Как заметил Мур, уже в 1975 г. микросхемы смогут включать до 65 тысяч транзисторов, став «вычислительной машиной в одном кристалле». Судьба пассивного наблюдателя этого процесса не устраивала Мура, и он вместе со своими коллегами Робертом Нойсом и Эндрю Гроувом в 1968 г. основал компанию «N.М.Electronics», которая чуть позже была переименована в «Intel corporation».

В 1969 году молодая компания получила от одной ныне не существующей японской фирмы выгодный заказ на разработку набора микросхем для микрокалькулятора. В процессе разработки инженеры Intel решили объединить все микросхемы комплекта в один корпус, создать универсальную вычислительную микросхему — микропроцессор. В ноябре 1971 г. компания уже выпускала первые в мире процессоры Intel 4004, выполнявшие 60 тысяч операций в секунду.

Потом был не нашедший поддержки у потребителей процессор Intel 8008. Но настоящий бум вызвал процессор Intel 8080, выпускавшийся долгие годы даже у нас в России под маркой К580ВМ80. На основе этого процессора в декабре 1975 г. был выпущен первый малогабаритный персональный компьютер «MITS Altair 8800» (есть фото на CD). Компьютер «Altair» знаменит еще и тем, что интерпретатор языка программирования для него писали Бил Гейтс и Пол Аллен, основатели фирмы Microsoft.

Сегодня Intel — это компания, производящая процессоры Pentium с фантастическими возможностями, выпускающая микросхемы памяти, микроконтроллеры, наборы микросхем для персональных ЭВМ. Одна из последних разработок Intel на момент написания этой книги — процессор Intel Itanium.

Компьютер, созданный на основе этого процессора, способен хранить количество информации, по объемам сравнимой с одной из величайших библиотек мира — Библиотекой конгресса США. Этот процессор может пропустить через себя за минуту объем информации, равный одному этажу этой библиотеки…

Доход фирмы Intel ежегодно составляет 12,1 млрд долларов! Компьютерная техника преподнесет нам еще немало сюрпризов — приятных и не очень. Ее история только начинается. Ну а мы познакомимся с ее основами.

 

Логические уровни, или Как можно передать информацию

Любое событие в окружающем нас мире содержит информацию. Электрические сигналы — это один из самых удобных способов ее представления и передачи.

В предыдущей главе мы имели дело с аналоговыми сигналами и совершенно четко представляем себе, что это такое, как их получить, как усилить и для чего использовать. Цифровой сигнал — особый вид электрического сигнала, который нет необходимости характеризовать конкретным значением напряжения или тока… Важен только сам факт наличия или отсутствия его, причем заранее договоримся, что присутствие сигнала будет соответствовать цифре логической 1, а его отсутствие — логический 0. Но давайте не будем забегать вперед, а научимся получать цифровые сигналы.

Обратим внимание на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Простейший способ получения цифрового сигнала

Нам понадобится источник питания G с напряжением U G , переключатель SA1 и вольтметр PV1, с помощью которого мы будем регистрировать наличие сигнала. Величина напряжения, создаваемого источником G, в данном случае совершенно не важна. Собрав простейшую схему, установим вначале переключатель SA1 в положение «1». Очевидно, что вольтметр PV1 покажет напряжение U G . Назовем это состояние высоким уровнем цифрового сигнала. Теперь, в момент времени t 1 , переведем переключатель в положение «2». Прибор покажет перепад напряжения к нулю и затем нулевое напряжение. Это состояние назовем низким уровнем цифрового сигнала. Вновь, в момент времени t 2 , переведем ключ в положение «1». Прибор покажет перепад напряжения к высокому уровню и затем — напряжение высокого уровня. Дальше, коммутируя переключатель SA1 из одного положения в другое, получим серию прямоугольных импульсов. Вот, пожалуй, и все компоненты цифрового сигнала. Назовем их еще раз:

• высокий-уровень сигнала (лог. 1, или иногда обозначают латинской буквой Н — high);

• низкий уровень сигнала (лог. 0, или L — low);

• перепад из высокого уровня сигнала в низкий;

• перепад из низкого уровня сигнала в высокий;

• прямоугольный импульс сигнала.

Не правда ли, набор более чем скудный. Но даже такие сложнейшие цифровые устройства, как персональные компьютеры, как-то умудряются обходиться такими скромными средствами и при этом выполнять сложнейшие математические расчеты. Как работать с этими нехитрыми «инструментами»? Пора договориться о некоторых правилах и в дальнейшем придерживаться их неукоснительно. Вначале разберемся с высоким и низким уровнями сигнала, называемыми статическими состояниями цифрового сигнала.

Еще в первом классе школы, а может и раньше, вы научились складывать, вычитать, делить, умножать числа, представленные в десятичной системе счисления, в которой возможно пользоваться числами от 0 до 10. Естественно, с тех пор вы не представляете иной возможности для математических расчетов. Но, оказывается, существуют и другие системы счисления. Цифровая техника обходится двоичной системой, в которой нет иных знаков, кроме 0 и 1. «Нолик» представляется низким уровнем сигнала, а «единичка» — высоким. Числа, представленные в двоичной системе, то есть набором нулей и единиц, тоже можно по определенным правилам складывать, вычитать, делить, умножать, извлекать из них корни, менять знак и использовать многое другое из арсенала математики. В обыденной жизни мы привыкли к десятичным числам, но цифровая техника ими пользоваться не может, поэтому необходимо вначале перевести число из десятичной системы в двоичную, потом цифровой прибор автоматически совершит необходимые операции и затем выполнит обратное преобразование результата — из двоичной формы в десятичную, удобную для восприятия человеком.

Чтобы понять принцип работы цифровых устройств, вначале нужно научиться переводить числа из одной системы счисления в другую. Чем мы сейчас и займемся.

Помните, как устроено любое десятичное число? К примеру, 10248? Вот так:

10248 = 1·10000 + 0·1000 + 2·100 + 4·10 + 8·1.

Это число имеет пять разрядов, значение каждого из которых умножается на вес разряда, а в сумме число имеет знакомую всем форму. Вес разряда — это числа 10000, 1000, 100 и так далее. «Вес» характеризует вклад того или иного разряда числа в его суммарное значение.

Существует строгая математическая формула, которая переводит число из любой системы счисления в десятичную:

Z = A i-1 ·N i-1 +  A i-2 ·N i-2 + ... + A 1 ·N 1 + A 0 ·N 0 ,

где Z — число, представленное в десятичной системе счисления;

i — число разрядов числа, представленного в любой системе счисления;

А — коэффициент при весе разряда;

N — основание системы счисления.

Основание системы счисления, возводимое в степень согласно приведенной формуле, и дает вес разряда. Что такое основание системы счисления? Для десятичной системы N = 10, для двоичной N = 2.

Представим число 10248 в двоичной системе. Мы получим следующую запись:

1024810 =101000000010002.

Нижний индекс — «10» и «2», как вы уже наверняка догадались, обозначает основание системы счисления. Проверим, что мы не ошиблись:

10248 = 1·8192 + 0·4096 + 1·2048 + 0·1024 + 0·512 + 0·256 + 0·128 + 0·64 + 0·32 + 0·16 + 1·8 + 0·4 + 0·2 + 0·1.

Убедились? Сделаем очень важный для нас вывод: представленное число в десятичной системе записывается с помощью пяти разрядов, а в двоичной системе оно имеет уже 14 разрядов. Увеличение разрядности, или, как говорят специалисты, разрядной сетки, является платой за уменьшение основания системы счисления. Поэтому запомните: разрядная сетка определяет возможности тех или иных цифровых приборов в части оперирования числами. Максимальное число, которое можно представить в жестко заданной разрядной сетке, определяется так:

Z max = N i - 1

Например, максимальное число (Z max ) в десятичной системе счисления с четырехразрядной сеткой (i = 4) — это 9999, а в двоичной системе с той же сеткой — только 15.

Преобразовав десятичное число в набор нулей и единиц, его можно передать по линии связи, сохранить, подвергнуть математическим операциям. Все это проделает электронная схема, построенная по определенным правилам, о которых мы поговорим позже.

Теперь вы знаете, как преобразовать двоичные числа в десятичные, но мы должны овладеть и обратной процедурой — превращением десятичного числа в двоичное. Если в описанной выше процедуре используются операции умножения и последующего сложения, то здесь все построено на делении и последующем вычитании.

Рассмотрим преобразование нашего числа 10248 в двоичное. Схема, отражающая эту процедуру, показана на рис. 14.3.

Рис. 14.3. Пояснение процесса преобразования десятичного числа в двоичное

Вначале число делим на 2, получая частное 5124 и остаток от деления 0, который становится значением разряда с весом 1. Последовательно совершая операции деления, записываем остатки во все разряды.

Разрядная сетка с определенными количествами разрядов в двоичной системе счисления имеет свои названия, которые необходимо запомнить. Одиночная разрядная сетка (один разряд — самая малая единица измерения информации) имеет название — бит. Бит (bit) — происходит от сокращения английского названия binary digit (двоичная цифра). Четыре бита составляют тетраду. Две тетрады — байт, два байта — слово, два слова — двойное слово. Наиболее часто в цифровой технике встречаются байты (8 бит) и слова (16 бит). Еще в цифровой технике вы встретитесь с такими устоявшимися понятиями, как килобит, килобайт, мегабайт. Читатель вполне резонно может предположить, что килобайт — это тысяча байт, а мегабайт — тысяча килобайт. И будет совершенно прав! Но есть также и Кбайт — это 210 байт, то есть 1024 байта. Соответственно Мбайт — 1024 Кбайт, или 1048576 байт. Путаница, однако…

Почему так вышло, что привычные приставки, использующиеся в десятичной системе счисления, в двоичной приобрели несколько иной смысл?

Дело в том, что на заре развития цифровой техники для обозначения 210 байт был выбрана буква «К» — Кбайт, и чуть позже к ней добавили десятичное «кило», хотя, добавляя эту приставку, никто не обращал внимания на двусмысленность ситуации. Затем появились приставки М, Г… Впрочем, если бы ситуация ограничилась только этой несуразицей, ничего страшного бы не произошло. Но в ходу появились и настоящие «килобайты», «мегабайты» и «гигабайты», в которых, например, приставка «кило» обозначает ровно 1000 байт. Кто стал использовать эту чисто «десятичную» терминологию? Производители и продавцы компьютерных комплектующих — в рекламных целях. Например, покупатель приобрел для компьютера жесткий диск размером 50 Гб — в «десятичных» единицах измерения. Реально — в двоичных — его объем составит 46,5 ГБ. Из-за путаницы в терминологии «обвес» составит 3,5 двоичного ГБ — порядочную цифру, близкую к 10 %. С точки зрения рекламиста, цифра 50 смотрится гораздо весомее, чем 46,5. Субъективно эти 46,5 тяготеют более к 40, нежели чем к 50.

Чтобы навести порядок с терминологией, Международная электротехническая комиссия (МЭК) в марте 1999 г. предложила для двоичных производных величин новые названия — кибибайт, мебибайт, гибибайт, оставив за десятичными производными приставки «кило», «мега», «гига». Приставка би- происходит от слова «бинарный» — «двоичный». В ноябре 2000 года эти предложения были официально закреплены в Международном стандарте 1ЕС 60027-2 (2000-II), касающемся наименований и обозначений физических величин…

Но это нововведение приживается плохо — исключительно из-за неблагозвучности и трудности произношения новых величин. Как будут развиваться события дальше, покажет время. В табл. 14.1 мы приводим всю необходимую терминологию.

Поговорим теперь о шестнадцатиричной системе счисления, которая тоже довольно часто используется в цифровой технике. Основание этой системы — 16, а в качестве символов используются цифры от 0 до 9 и буквы А, В, С, D, Е, F (буквами указываются числа 10, 11, 12, 13, 14, 15 соответственно). Эта система удобна для наглядного представления больших объемов двоичных чисел.

Интересные свойства шестнадцатиричных чисел связаны с тем, что тетрадой бит можно задать эти самые 16 чисел. Поэтому даже слово, в двоичном виде записывающееся в виде цепочки из 16 бит, в шестнадцатиричной системе предстает в виде 4-х знаков. В табл. 14.2 показано соответствие трех систем счисления, встречающихся в цифровой технике.

Мы уже говорили о том, как различать числа с разными основаниями. Запомните также, что числа 1010, 102 и 1016 не равны друг другу! Преобразовывать шестнадцатиричные числа в десятичные тоже очень просто — достаточно вычислить «вес» разрядов и просуммировать по всем разрядам полученные произведения.

Основное преимущество шестнадцатиричной системы заключается в том, что для представления чисел и операций с ними требуется меньшее количество позиций значащих цифр, однако эта система более удобна для работы с двоичной арифметикой, чем десятичная. Показать все преимущества работы с шестнадцатиричным представлением чисел простым рассказом о достоинствах и недостатках довольно сложно. Когда читатель столкнется с двоичной арифметикой в практических конструкциях, он на собственном опыте все поймет. Пока же рекомендуем просто запомнить о такой возможности.

А теперь пусть читатель задаст себе вопрос: умеет ли он складывать и вычитать десятичные числа «в столбик»? Ну конечно же умеет — эти знания приобретены в начальной школе! Но как работать с двоичными числами при необходимости сложить их или вычесть одно из другого? Точно так же, по тем же правилам, приведенным на рис. 14.4 для операций сложения и вычитания.

Рис. 14.4. Арифметические операции с двоичными числами

Действия по подпунктам (а), (б) и (в) на обоих рисунках понятны и дополнительных комментариев не требуют. А вот действие (г) имеет особенности. В случае сложения происходит перенос единицы в следующий по старшинству разряд, а в случае вычитания — заем из старшего разряда.

На рис. 14.5 приведены примеры сложения и вычитания двух 8-разрядных чисел. Сложность понимания обычно возникает при выполнении вычитания, поэтому поясним рис. 14.5, б.

Рис. 14.5. Пример действия арифметических операций над двумя 8-разрядными числами:

а — сложения; б — вычитания

Разряды с весами 1, 2 и 4 просты для выполнения вычитания. Но в колонке с весом разряда 8 осуществляется вычитание 1 из 0. «Единичка» занимается из разряда с весом 16, и разность дает значение 1. После заема в разряде с весом 16 придется вычесть 1 из 0, поэтому за новым заемом отправляемся в разряд с весом 32. Увы — в том разряде стоит 0, поэтому занимаем из разряда с весом 64. В колонке с весом 32 имеем 1–1 = 0. И так далее.

Вас не слишком утомила двоичная арифметика? Мы рассказываем лишь о ее основах, о том, что необходимо узнать в первую очередь. В дальнейшем, уже за рамками этой книги, если читатель заинтересуется цифровой техникой всерьез, ему предстоит разобраться в операциях двоичного умножения и деления, изучить арифметику с плавающей запятой, научиться работе с числами со знаком, освоить буквенно-цифровые коды и еще многое другое не менее интересное. А пока познакомимся с простейшими «кирпичиками» цифровой техники, из которых, как из детского конструктора, потом можно будет собирать полезные схемы.

 

Обозначения и маркировка цифровых микросхем

Начнем с обозначений. Сам логический элемент, или микросхема, состоящая из них, показывается на электрической принципиальной схеме в виде прямоугольника, внутри которого вверху ставится условный знак (символ или буквы), говорящий о назначении микросхемы (виды условных знаков стандартизованы) — это позволяет быстрее понять принцип работы устройства любому специалисту в области электроники, а не только автору схемы. По мере получения опыта вы их легко запомните.

Часто используемые простые элементы приведены в табл. 14.3, там же указаны названия логических операций, которые они выполняют. Особое внимание читателя следует обратить на графы «mil spec» — зарубежный стандарт и «ГОСТ, МЭК» — отечественный стандарт, рекомендуемый Международной Электротехнической Комиссией (МЭК). Начертания элементов в зарубежных и отечественных схемах, как правило, отличаются. Установить соответствие поможет приводимая таблица.

По роду выполняемых действий цифровые микросхемы делятся на много типов: логические элементы, триггеры, счетчики, запоминающие устройства и др. Особый класс занимают аналого-цифровые и цифроаналоговые микросхемы, которые осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровые и наоборот.

Цифровые микросхемы выпускают сериями. Серия микросхем изготавливается по единой технологии, с единой конструкцией корпуса. Наиболее желательным при разработке цифровых устройств считается использование микросхем одной серии, поскольку они лучше всего сопрягаются друг с другом по питающим напряжениям, уровням сигналов и быстродействию.

Маркировка отечественных микросхем

Отечественная система маркировки состоит из пяти элементов.

Первый элемент — характеристика области применения, материала и типа корпуса. Буква К говорит о возможности использования микросхемы в широком спектре аппаратуры. Отсутствие буквы К свидетельствует о возможности использования микросхемы в специальной технике, подвергаемой повышенным значениям вибрации, ударам, холоду, теплу, влажности, радиации. Буква Э свидетельствует об экспортном исполнении. Буква М — керамический, металлокерамический или стеклокерамический корпус.

Второй элемент — цифра, характеризующая микросхему по конструктивно-технологическому признаку:

Третий элемент — две цифры, указывающие номер разработки данной серии.

Четвертый элемент — две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы. Эта информация приведена в таблице:

Пятый элемент — порядковый номер разработки в серии среди микросхем одного вида. При необходимости после пятого элемента в обозначение могут быть введены буквенные индексы от А до Я, определяющие разбраковку микросхем по допускам на основные параметры.

Подавляющее большинство отечественных цифровых микросхем имеет импортные аналоги, совместимые как по техническим характеристикам, так и по расположению выводов. Некоторые зарубежные микросхемы не имеют отечественных аналогов, а некоторые отечественные наоборот — не имеют импортных. Но все же эти примеры обычно относятся к малоупотребимым в радиолюбительской практике типам.

Маркировка зарубежных микросхем

Исторически так сложилось, что маркировка отечественных микросхем отличается от маркировки импортных, поэтому здесь мы приводим все необходимые сведения. Вообще имеется два вида маркировки, которые на самом деле очень похожи друг на друга. Первый вид состоит из четырех позиций.

Первая позиция — код изготовителя или код по международной классификации, состоящий из 2 букв латинского алфавита.

Вторая позиция — две цифры, указывают технологию изготовления микросхемы (серию):

Третья позиция — 2 или 3 цифры, обозначающие функциональное название цифровой микросхемы в пределах обозначенной серии. К функциональному назначению микросхемы может быть добавлен индекс модификации, свидетельствующий об изменениях, внесенных в схемотехнику микросхемы:

Четвертая позиция — буквенный суффикс, обозначающий корпус микросхемы:

Пример обозначения: DM74157E.

* * *

Поговорим о втором виде маркировки. Он во многом напоминает первый способ, но состоит из шести позиций и на сегодняшний момент используется для цифровых микросхем наиболее часто.

Первая и вторая позиции — аналогичны приведенным выше.

Третья позиция — одна или несколько букв, обозначающих подсемейство микросхемы в пределах серии:

Важно отметить, что если внутри традиционно принадлежащего ТТЛ обозначения 74 встретится буква С, например НС, это означает, что данная микросхема принадлежит к семейству КМОП микросхем, но совместима с ТТЛ.

Четвертая позиция — цифры, обозначающие функциональное назначение цифровой микросхемы в пределах серии.

Пятая позиция — буква, обозначающая тип корпуса микросхемы (аналогично четвертой позиции в первом виде маркировки).

Шестая позиция — суффикс, который может содержать отбраковочную информацию, код температурного диапазона и другие не слишком важные для радиолюбителя сведения.

Пример маркировки второго вида: DV74LS244D.

В дальнейшем мы расскажем о наиболее популярных сериях отечественных цифровых микросхем и приведем их зарубежные аналоги. Нам предстоит также подробнее узнать о технологиях ТТЛ и КМОП, их достоинствах и недостатках, перспективах, особенностях использования в схемах.

 

Распространенные серии

Перед нами стоит нелегкая задача — рассказать о практически используемых сериях цифровых микросхем. Трудность заключается в том, что в арсенале радиолюбителей обычно содержится опыт работы с сотней-другой цифровых микросхем. Рассказать о таком количестве в рамках этой книги просто не представляется возможным. Поэтому мы решили выбрать из всего этого длинного списка наиболее часто встречающиеся, распространенные, и рассказать на их примере об общих принципах устройства микросхем, их достоинствах и недостатках. В последующих главах, при изготовлении схем или самостоятельном конструировании цифровых самоделок, работа микросхем вам будет более понятна.

Первые цифровые микросхемы

Разберемся в технологиях изготовления микросхем, скрывающихся за пока непонятными буквами ТТЛ, КМОП, ТТЛШ, РТЛ, ДТЛ. Вообще-то значительные, принципиальные отличия имеют микросхемы, производимые по технологиям ТТЛ и КМОП, а сокращенные наименования ТТЛШ, РТЛ, ДТЛ относятся к действующей технологии ТТЛ и ее ранним модификациям.

Что такое ТТЛ? Это всего-навсего «транзисторно-транзисторная логика».

Уместна ли такая тавтология? Нет ли здесь «масла масляного» по известной поговорке? Ее предшественники РТЛ («резисторно-транзисторная логика») и ДТЛ («диодно-транзисторная логика») имеют более благозвучные названия. Примерно так же — необычно — звучит название прогрессивной технологии ТТЛШ — «транзисторно-транзисторная логика с элементами на основе барьеров Шоттки», технологии, позволяющей значительно повысить быстродействие микросхем и снизить их энергопотребление. Спешим обрадовать читателя: тавтология здесь если и есть, то в необходимом объеме, поясняющем суть работы цифровых элементов. Чтобы почувствовать, что это действительно так, обратим внимание на рис. 14.6, на котором изображен один и тот же элемент — 3ИЛИ-НЕ, но реализованный в разных технологиях. Необычный транзистор VT1, изображенный на рис. 14.6, в, называется многоэмиттерным транзистором.

Этот элемент специально разработан для применения в логических микросхемах и в качестве самостоятельного электронного компонента, реализованного в отдельном корпусе, не выпускается. Отсюда понятно, почему элемент ТТЛ — «транзисторно-транзисторный». Его основные свойства формируют только транзисторы, а остальные элементы применяются только как вспомогательные.

Рис. 14.6. Схемотехника логических элементов разных серий:

а — РТЛ; б — ДТЛ; в — ТТЛ

У читателя наверняка появился законный вопрос: «Какой смысл иметь микросхемы, разработанные и производимые по разным технологиям, ведь все они работают одинаково?». Верно, исторически появившийся первым элемент РТЛ выполняет ту же функцию, что и «продвинутый» ТТЛШ! Реально — и об этом уже было сказано — элементы, изготовленные по разным технологиям, обладают разным быстродействием, отличаются по потреблению энергии. Быстродействие элемента определяется временем, за которое он переключается из одного логического состояния в другое. Чем быстрее смогут переключаться логические элементы, тем быстрее цифровая схема сможет совершать операции, производить вычисления. Обратите внимание на стремительно растущую частоту работы компьютерных микропроцессоров Intel — борьба идет за повышение максимально возможного числа переключений в секунду.

Второй немаловажный параметр логических элементов — потребляемая энергия (потребляемая мощность, потребляемый ток). Обычно интереснее сравнивать потребляемый микросхемами ток, так как напряжение питания у них может быть разным. На заре развития цифровой техники, когда вычислительные машины создавались на основе логических элементов, спроектированных с применением электронных ламп, для их питания требовались сравнительно большие мощности в сотни киловатт. Например, машина ENIAC в час потребляла 150 кВт. Потребляемая мощность современных домашних компьютеров оценивается по типовому блоку питания, встроенному в него. Мощность блока питания обычно не превышает 200–300 Вт, а возможности современных компьютеров в миллионы раз шире, чем тех, первых, на электронных лампах.

Особенно важно потребление энергии в портативной аппаратуре с батарейным питанием. Чем меньше потребляет прибор энергии, тем дольше прослужит питающий его комплект батарей. Наиболее показательный пример — надежная работа наручных электронных часов, которые могут годами «ходить», не требуя смены крохотных «батареек», хотя внутри электронной схемы работает не одна сотня транзисторов. Другой пример — переносные ноутбуки, которые можно взять с собой в поездку и которые практически ненамного уступают по возможностям настольным компьютерам.

На сегодняшний момент ТТЛ технология подошла к границе своих возможностей по быстродействию и потреблению энергии. У профессиональных разработчиков цифровой техники она уже не считается «технологией с большим будущим». На что обращено внимание профессионалов? Ситуация без перспектив, как правило, является тупиковой. Должен же быть какой-то выход?

Выход есть. Рассматривая технологию ТТЛ, основанную на использовании биполярных транзисторов, мы совершенно забыли о том, что есть еще и полевые приборы, на управление которыми практически не нужно затрачивать энергию… Мы рассмотрим перспективные серии микросхем с пониженным энергопотреблением в следующем разделе, а в этом настало время обозначить серии ТТЛ, рекомендуемые для радиолюбительского творчества.

Сравнительная табл. 14.4, показывающая динамические параметры (быстродействие) и потребляемую мощность разных микросхем в расчете на перенос одного бита, отражает усредненные параметры. Следует помнить, что параметры конкретных микросхем могут несколько отличаться от указанных средних, но общая тенденция сохраняется.

Для большинства радиолюбительских разработок рекомендуется использовать ТТЛ и ТТЛШ серии К555 и КР1533. Серии К155 и 133 на сегодняшний день считаются устаревшими, неперспективными, поэтому по возможности их лучше исключить из арсенала и использовать в своих практических конструкциях только в крайних случаях, когда под рукой не окажется нужной микросхемы из серий К555 и КР1533. В составе этих серий есть полные аналоги всех микросхем устаревших серий, так что таким обстоятельством нужно активно пользоваться. Напряжение питания всех рекомендуемых ТТЛ микросхем — +5 В с допуском не более ±5 %.

Микросхемы серий К531 и К1531 разумно применять в тех случаях, когда требуемое быстродействие всего устройства или части цифровой схемы лежит выше частоты 30 МГц. Эти микросхемы обладают значительным энергопотреблением. Установленные в приборы, они всегда нагреваются и ощущаются хорошо прогретыми при приложении к ним кончика пальца. Поэтому радиолюбителю рекомендуется работать с сериями К531 и К1531 «с оглядкой», хорошо подумав, а есть ли смысл использовать здесь микросхему этой серии? Зачастую в несложных цифровых приборах даже только одна такая микросхема, будучи установленной вместо КР1533, может в два раза увеличить потребляемый ток.

Получить исчерпывающие сведения о перспективных отечественных микросхемах серии ТТЛ можно в книге [1]. Этот справочник пользуется заслуженной популярностью как у профессионалов, так и у радиолюбителей.

Отечественные цифровые ТТЛ микросхемы имеют зарубежные аналоги, табл. 14.5 (вместо знаков хх стоят цифры).

Перспективные зарубежные серии ТТЛ имеют наименования 74F, 74LS, 74ALS и совпадают по техническим характеристикам с отечественными сериями КР1531, К555 и КР1533 соответственно. По этим названиям микросхемы можно разыскивать в прайс-листах фирм, торгующих электронными компонентами.

Микросхемы с пониженным потреблением

Поиск вариантов снижения энергопотребления привел разработчиков цифровой техники к применению для реализации логических элементов полевых транзисторов с изолированным затвором. Отсюда и берет начало название технология КМОП — на основе «комплементарных полевых транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник». «Изюминка» элементов этой серии заключается в наличии так называемой пушпульной схемы, которая в статическом (непереключающемся) состоянии потребляет ток, оцениваемый микроамперами. Что такое пушпульный каскад? Обратим внимание на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Принцип действия КМОП инвертора

Пушпульный выход — это соединение транзисторов VT1 и VT2 так, как показано на представленном рисунке (а), — «столбиком». Чем замечательна эта схема?

Если нагрузка на выходе элемента отсутствует, то его общий потребляемый ток ограничивается только током утечки затворов транзисторов. Основная часть энергии, потребляемой КМОП микросхемой, затрачивается при переключении транзисторов, так как бывают мгновения, когда оба транзистора еще открыты в процессе изменения своего состояния-Это видно на рис. 14.7, б в точке А, где на одном графике показаны передаточные характеристики верхнего и нижнего транзисторов. Интересное свойство этого вида микросхем — средний потребляемый ток растет с повышением частоты переключения. Причина понятна — растет число переключений в секунду.

Имеющиеся внутри диоды VD1 и VD2, на первый взгляд, кажутся совершенно излишними, так как в процессе нормальной работы они всегда находятся в закрытом состоянии. И тем не менее эти диоды защищают входы микросхем от пробоя статическим электричеством — они открываются, когда напряжение на входе выходит за рамки напряжения питания микросхемы. Пробивное обратное напряжение для защитных диодов примерно 25…50 В.

Особенность КМОП микросхем состоит еще в том, что свободные (неиспользуемые) входы не должны оставаться «висящими» в воздухе, то есть неподключенными. Эти выводы лучше подключить к шине питания или к общему проводу, но так, чтобы это подключение не нарушило логику работы микросхемы, не заблокировало ее, не перевело в режим постоянного сброса. Словом, нужно досконально изучить работу микросхемы еще до разработки цифрового прибора.

Основной недостаток КМОП микросхем традиционных серий — их низкие по сравнению с элементами ТТЛ скорости переключения. Быстродействие не превышает в лучшем случае 3…5 МГц. Другая важная особенность работы с микросхемами заключается в общих мерах предосторожности, рекомендуемых при работе с полевыми приборами. Конечно, разработчики приняли все меры, чтобы обезопасить микросхемы от повреждения статическим электричеством. Но вероятность такой аварии существует, поэтому рекомендуются классические способы защиты в виде заземления паяльника и тела. Еще одно интересное свойство современных перспективных КМОП микросхем, которое, впрочем, относится к достоинствам, — надежная работа в широком диапазоне питающих напряжений: практически от 3 до 18 вольт.

Первая отечественная серия микромощных микросхем имеет маркировку К176. Эта серия очень широко применялась в цифровой аппаратуре и до сих пор встречается во вновь разработанных радиолюбительских конструкциях, ее можно легко приобрести. Тем не менее относиться к ней нужно с осторожностью — по некоторым вполне достоверным сведениям, эта серия снимается с производства, и то, что сегодня продается, поступает из старых запасов. Не исключена ситуация, когда радиолюбитель просто не сможет найти нужную микросхему на рынке: «закончилась» — скажут продавцы. Впрочем, серия К176 включает в себя много разновидностей микросхем, а ее основной недостаток — жестко нормированное напряжение питания 9 В с 5-процентным допуском, что затрудняет ее согласование с микросхемами ТТЛ серий. Но, как показывает практика, логические элементы этой серии реально сохраняют работоспособность в диапазоне напряжений 5…12 вольт, но — без гарантии надежной работы для некоторых экземпляров. Можно обеспечить надежное сопряжение микросхем с помощью так называемых преобразователей уровня (маркировка ПУ) — самостоятельных специализированных микросхем. Однако это усложнит схему — придется ввести два источника питания: на 5 и 9 В, что конечно же неудобно.

Основными в арсенале радиолюбителя являются микросхемы КМОП серии К561 и более новой К1561. В некоторых конструкциях можно встретить микросхемы серии 564 (там тот же самый кристалл, что и в К561). Они выпускаются в более компактных корпусах с планарными золочеными выводами, что, вне всякого сомнения, способствует продлению срока службы, но на порядки увеличивает цену. Эта серия непопулярна у радиолюбителей по экономическим соображениям. Вдобавок, по сравнению с серией K561, она не обладает какими-либо преимуществами, выигрышем в потреблении и другими важными свойствами. Диапазон питающих напряжений для серий 564 и К561 составляет 3…15 вольт, а для серии KP156I — 3…18 вольт.

Особое внимание читателя хочется обратить на серию KP1561, так как именно она будет интенсивно развиваться в ближайшие годы. У нее в выходных каскадах всех логических элементов установлены буферные усилители, увеличивающие нагрузочную способность и повышающие устойчивость к коротким замыканиям выходов на шины питания. К сожалению, эта серия пока содержит не так много разновидностей отечественных микросхем, как хотелось бы. Рекомендовать здесь можно использование импортных элементов, изготавливаемых по той же технологии.

Самой прогрессивной и стремительно развивающейся является отечественная серия KP1554, которая уже конкурирует по быстродействию с серией КР1533. Но обольщаться особо не стоит — микросхемы серии KP1554 только на низких частотах обладают низким потреблением, при частотах, приближающихся к предельным для ТТЛ серий, потребление обеих серий сравнивается. В чем же здесь преимущество? Серия KP1554 может работать при питающем напряжении 3 В. К сожалению, пока она мало распространена на отечественном рынке радиодеталей.

Отечественные КМОП микросхемы имеют зарубежные аналоги, табл. 14.6.

Вместо знаков ххх в маркировке стоят цифры, указывающие на вид микросхемы. Информацию по замене конкретных импортных микросхем отечественными аналогами можно найти в книге [2].

 

Как все это работает?

А сейчас поговорим о назначении и принципах работы простейших логических элементов и узлов, выполненных на их основе. Любой логический элемент имеет один или несколько входов и один или несколько выходов. Подавая различные комбинации цифровых сигналов на входы и фиксируя состояние выходов, можно исследовать логические схемы, составить для них таблицы истинности — таблицы, отражающие поведение схемы при всевозможных комбинациях входных сигналов. Составление таблицы истинности — это наиболее простой способ описания простых устройств цифровой техники. Существуют и другие способы, например временные диаграммы, в которых все сигналы «разворачиваются» на временной горизонтальной оси в виде графика. Можно описывать работу словами или же языком математики (есть так называемая Булева алгебра — Дж. Буль (1815–1864)  — английский математик разработал специальную алгебру логики). Кроме языка математики, со всеми остальными способами мы с вами познакомимся. Но для описания многих логических элементов таблиц истинности вполне достаточно.

Все цифровые микросхемы по количеству компонентов внутри корпуса можно разделить на простейшие (они выполняют простые логические операции) и более сложные (выполняют логические функции). Последние состоят внутри из большого числа специальным образом соединенных простых логических элементов, выполняющих часто необходимые задачи, что позволяет уменьшить число корпусов микросхем в конструкции.

Простейшие логические элементы

Один логический элемент, в зависимости от технологии его изготовления, может состоять из 5…15 компонентов (транзисторов, резисторов, диодов). На одном кристалле полупроводника за один технологический цикл изготавливается сразу несколько аналогичных логических элементов, связанных между собой только цепями питания, что позволяет уменьшить габариты и стоимость разрабатываемой конструкции. К тому же при разработке топологии печатной платы в этом случае можно использовать те элементы, для которых проще всего выполнить разводку соединения (элементы можно менять местами на электрической схеме). Чтобы не загромождать схему линиями, обычно цепи питания микросхем не рисуют (их указывают отдельно), но об их необходимости подключения не следует забывать, иначе ничто работать не будет.

Еще необходимо учитывать, что в цифровых схемах логические элементы могут иметь один из пяти вариантов выполнения выходного каскада (рис. 14.8):

Рис. 14.8. Разные варианты внутренней структуры выходных каскадов цифровых микросхем

а) обычный выход (чаще всего комплиментарный), на котором может присутствовать либо 0, либо лог. 1 (он непосредственно подключается к входу другого логического элемента). На электрической схеме такой выход ничем не выделяют — их большинство;

б) выход с открытым коллектором или стоком (если к такому выходу не подключить внешний резистор, соединенный с +Uп, то мы не увидим никакого изменения уровня сигнала). Открытые выходы можно объединять между собой, то есть они могут работать на одну нагрузку (резистор). На электрической схеме такой выход обозначается ромбиком с чертой внизу;

в) выход с тремя состояниями. На нем может быть либо 0, либо лог. 1, либо «ничего» — так называемое высокоимпедансное состояние (Z-состояние) — вывод как бы повисает в воздухе. Выполняется это за счет того, что выходными транзисторами можно раздельно управлять, и перевод в это состояние осуществляется закрыванием обоих транзисторов. На электрической схеме такой выход обозначается ромбиком с чертой посередине (например, такой является микросхема K561ЛH1 с 6 инверторами, рис. 14.9);

г) два других варианта выходов: когда не подключен только исток (эмиттер) транзистора (обозначается ромбиком с чертой вверху) или же оба вывода просто выведены (открытый коллектор и эмиттер) — в цифровых микросхемах встречаются очень редко, и мы их рассматривать не будем.

Ну а теперь давайте познакомимся с самыми распространенными элементами, рис. 14.9 (их работу надо запомнить).

Рис. 14.9. Простые логические микросхемы

Повторитель сигнала — элемент, не несущий в себе никакой осмысленной цифровой операции. Принцип работы следует из его названия, а таблица истинности показана на рис. 14.10.

Рис. 14.10. Таблица истинности повторителя сигнала

Он используется для увеличения нагрузочной способности выходов, для буферирования слабых цифровых сигналов (усиления по току), для преобразования электрических уровней и согласования, разных типов микросхем. Одинаковые логические элементы можно включать параллельно по 2–4 штуки, это увеличивает нагрузочную способность (выходной ток). В крайнем случае роль буферного элемента может выполнять каскад эмиттерного повторителя на любом транзисторе — так делают, когда необходим только один или два повторителя, из-за чего неудобно ставить микросхему, имеющую их аж 6 штук или же когда на выходе нужен ток, превосходящий возможности одного буфера (для управления реле или ИК-диодом).

Инвертор — логический элемент, выполняющий операцию логического отрицания НЕ (NOT — обозначение этой операции в зарубежной литературе).

Таблица истинности инвертора показана на рис. 14.11.

Рис. 14.11. Таблица истинности инвертора НЕ ( NOT )

Как следует из рисунка, этот элемент устанавливает на своем выходе состояние сигнала, противоположное тому, которое установлено на входе. Аналогичную задачу может выполнять обычный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (общим истоком).

Элемент И — выполняет функцию логического умножения (AND). Работу его очень просто продемонстрировать с помощью схемы, выполненной на реле, рис. 14.12.

Рис. 14.12. Пояснение работы логического элемента И

Пока переключатели SA1 и SA2 находятся в разомкнутом состоянии, прибор PV регистрирует низкий уровень сигнала. При замыкании только одного из переключателей ситуация не меняется, и только при замыкании обоих переключателей прибор PV зарегистрирует высокий уровень сигнала.

Диаграмма напряжений и таблица истинности этого элемента показаны на рис. 14.13.

Рис. 14.13. Диаграмма напряжений и таблица истинности элемента И ( AND )

Чаще всего показанный логический элемент обозначают, как 2И, поскольку входов у схемы — два; существуют разновидности элементов, выполняющих функцию логического умножения трех (3И) и более входных сигналов. В любом случае изменение сигнала на выходе произойдет при одновременной установке в высокий уровень всех входных сигналов.

Элемент И-НЕ — разновидность элемента, выполняющего функцию логического умножения с той разницей, что на выходе осуществляется операция НЕ (NOT) — инверсия. Таблица истинности такого элемента показана на рис. 14.14. По аналогии с предыдущим элементом имеются также элементы 3И-НЕ и другие.

Рис. 14.14. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента И-НЕ ( NAND )

Элемент ИЛИ — выполняет функцию логического сложения (OR). Вновь проиллюстрируем работу с помощью простейшей схемы, показанной на рис. 14.15.

Рис. 14.15. Пояснение работы логического элемента ИЛИ

В разомкнутом состоянии переключателей SA1 и SA2 прибор PV регистрирует низкий уровень, при замыкании переключателей SA1 или SA2 регистрируется высокий уровень, то же самое происходит и при их одновременном замыкании.

Таблица истинности элемента показана на рис. 14.16.

Рис. 14.16. Диаграмма напряжений и таблица истинности элемента ИЛИ ( OR )

Элемент ИЛИ-HE (NOR) показан на рис. 14.17 и дополнительных пояснений не требует.

Рис. 14.17. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента ИЛИ-HE ( NOR )

Элемент Исключающее ИЛИ (XOR) — может быть составлен из названных элементов путем их соединения по определенному правилу. Однако этот элемент принято включать в набор «кирпичиков» цифровой техники, поскольку функция, выполняемая им, уникальна. Это — цифровой компаратор, который сигнализирует о равенстве сигналов на входах. На выходе будет лог. 0 только когда на обоих входах 0 или 1. Таблица истинности этого элемента показана на рис. 14.18.

Рис. 14.18. Таблица истинности и диаграмма напряжений элементу Исключающее ИЛИ ( XOR )

Элемент Исключающее ИЛИ-HE (XNOT-OR) мало чем отличается от предыдущего элемента. На выходе будет лог. 1, только когда на обоих входах 0 или 1. Таблица его истинности показана на рис. 14.19.

Рис. 14.19. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOT-OR)

Кроме описанных простейших элементов, часто используются и более сложные, размещенные в одном корпусе микросхемы. Например, элемент 2И-ИЛИ, изображенный на рис. 14.20, может быть заменен показанной эквивалентной схемой.

Рис. 14.20. Вариант комбинации логических элементов в одном корпусе для удобства создания конструкций

Иногда в практических схемах, кроме обычных логических элементов, можно встретить логические элементы, выполненные на диодах-резисторах (рис. 14.21).

Рис. 14.21. Диодно-резисторные логические элементы

Так делают, когда нецелесообразно устанавливать лишний корпус микросхемы, а небольшое увеличение при этом потребляемого тока значения не имеет. Существует много и других комбинаций, но мы пока ограничимся вопросами построения логических цепей, называемых комбинационными логическими схемами, и перейдем к другому виду — последовательностным схемам (схемам, работающим в определенной последовательности действий).

Триггер — ячейка памяти

Итак, комбинационная логическая схема, как мы уже поняли, строится на основе элементарного логического элемента. Последовательностная логическая схема в своей основе имеет другой элементарный элемент — триггер. Но не думайте, что сейчас вы встретите что-то принципиально новое. В рассказе о триггере мы столкнемся со знакомыми нам логическими «кирпичиками», соединенными особым образом.

Итак, триггер. Он предназначен для размещения цифровых данных, обеспечения нужных временных задержек, формирования заданных последовательностей сигналов. Триггер обладает очень важным свойством — имеет память. Он запоминает входные сигналы даже тогда, когда они будут сняты. Различают несколько разновидностей триггеров, поэтому поговорим о них по очереди. Эти элементы мы будем рассматривать на примере конкретных микросхем из КМОП серий, которые наиболее удобны для изготовления своих конструкций (все ниже изложенное справедливо и для других серий, но иногда с небольшими поправками, о которых можно узнать в справочнике).

Триггер Шмитта по своему функционированию напоминает буферный элемент, поскольку не выполняет никакой логической операции (может использоваться как обычный буфер). Но в отличие от обычных элементов, он обладает, гистерезисом при переключении и предназначен для формирования цифровых сигналов на выходе с крутыми фронтами (для исключения ложных срабатываний) при медленном изменении уровня сигнала на входе, например для сопряжении цифровой схемы с аналоговой или с механическими контактами кнопок и переключателей. Метод получения гистерезиса при помощи положительной обратной связи мы уже рассматривали в главе 13, когда речь шла об аналоговых компараторах.

На практике часто используются триггеры Шмитта как с одиночным инвертирующим триггером, так и с логикой 2И-НЕ на входе, рис. 14.22.

Рис. 14.22. Триггеры Шмитта из серии К561

Если вам не удалось приобрести одиночный триггер Шмитта, то его можно заменить эквивалентом, собранным на двух обычных инверторах, как это показано на рис. 14.23, но для этого придется. установить дополнительные резисторы, как показано.

Рис. 14.23. Замена инвертирующего элемента триггера Шмитта его аналогом на двух инверторах

Рис. 14.24 поясняет процесс переключения такого элемента.

Рис. 14.24. Гистерезисная характеристика триггера Шмитта (с инверсией сигнала и диаграммы напряжений, поясняющие работу

На них удобно выполнять генераторы импульсов, как это показано на рис. 14.25.

Рис. 14.25. Генератор импульсов на основе триггера Шмитта

RS-триггер (его вид и эквивалентная структура, но собранная на двух отдельных элементах 2ИЛИ-НЕ, приведены на рис. 14.26).

Рис. 14.26. RS-триггер , таблица истинности для прямого выхода Q и его внутренняя структура

Входы имеют уникальные названия: S (set) — установка, R (reset) — сброс. Работу триггера поясняет приведенная таблица истинности, где Q(t) — состояние выхода до появления управляющего входного сигнала, a Q(t+1) — последующее состояние (для инверсного выхода, если он есть, все то же самое, только наоборот).

При подаче на оба входа триггера (R и S) уровня логической единицы состояние — на выходах не определено (непредсказуемо), поэтому такой сигнал является запрещенным и обычно, не используется. Для установки на выходе Q логической единицы необходимо подать лог. 1 на вход S, и наоборот — для установки лог. 0 достаточно кратковременно подать лог. 1 на входе R. При нулевых уровнях на входах состояние триггера не изменяется — это состояние называется режимом хранения. При включении питания состояние триггера не определено — он может с равной вероятностью иметь на выходе Q как единицу, так и ноль.

Среди серии 561 в качестве RS-триггеров могут использоваться микросхемы приведенные на рис. 14.27.

Рис. 14.27. Микросхемы многофункциональных триггеров

Реальные микросхемы, выпускающиеся промышленностью, чаще всего являются совмещенными — их можно использовать и в качестве RS-триггеров, и в качестве других типов триггеров. Это на практике оказывается удобнее, чем применять триггеры «в чистом виде».

На рисунке из трех типов микросхем только одна является в чистом виде RS-триггером (561TP2). Две остальные многофункциональны, но если у них дополнительные входы не использовать (т. е. подключить к общему проводу), а сигналы подавать только на R и S входы, то мы получим типичный RS-триггер.

В одном корпусе у микросхемы 561ТР2 имеется четыре независимых триггера, а дополнительный вход EZ (если на нем лог. 0) позволяет переводить выходы всех триггеров в Z-состояние.

D-триггер — имеет и другое название — триггер с задержкой на такт (типичный вид его показан на рис. 14.28).

Рис. 14.28. D-триггер , диаграмма напряжений и таблица истинности, поясняющая его работу

Вход D (data — информация) называется информационным, а вход С (clock — часы) — синхронизирующим. Работает триггер следующим образом. При подаче тактового импульса на вход С, представляющего собой, например, перепад логического сигнала из низкого уровня в высокий (об этом указывает наклонная черта у вывода, как показано на рис. 14.28), происходит запись логического сигнала, установленного на входе D, в триггер. Логический сигнал, записанный в триггере, появляется на прямом и инверсном выходах (Q и Q¯), как показано на временной диаграмме, представленной на том же рисунке.

Среди микросхем 561 серии в режиме D-триггера могут работать 561ТМ2 (в этом случае входы R и S соединяются с общим проводом), 561ТВ1 (входы J и К объединяются и используются как D, a R и S соединяются с общим проводом), а также 561ТМЗ (рис. 14.29).

Рис. 14.29. D-триггер из серии 561

Последняя микросхема содержит четыре триггера, имеющих индивидуальные входы D и два выхода (прямой и инверсный), но вход тактовый (С) у всех триггеров общий, к тому же имеется возможность переключать момент срабатывания триггеров при помощи входа V (если на нем низкий уровень — информация появится на выходе по переднему фронту на С, а если высокий — по заднему).

Т-триггер легко сделать из D-триггера, соединив информационный вход и инверсный выход, как показано на рис. 14.30.

Рис. 14.30. Т-триггер ( а ), преобразование D-триггера в Т-триггер ( б ) и поясняющая его работу диаграмма ( в )

Этот триггер обладает удивительным свойством — он делит на 2 частоту сигнала, поступающего на вход С. Т-триггер находит применение в счетчиках цифровых сигналов, о которых мы поговорим чуть позже.

JK-триггер — пожалуй, самый сложный и наиболее универсальный из всех, рис. 14.31.

Рис. 14.31. JK-триггер и таблица истинности, поясняющая его работу

У него имеются информационные входы J и К, а также синхронизирующий вход С. Если на входах J и К установлены уровни логического нуля, тактовые импульсы, поступающие на вход С, не меняют состояния триггера. Установка хотя бы на один из входов логической единицы перебросит триггер в состояние, соответствующее таблице истинности. А вот если на оба входа подать логическую единицу и постоянно тактировать по входу С серией импульсов, то при приходе очередного импульса триггер будет перебрасываться в состояние, противоположное тому, в котором он находился до прихода этого импульса. То есть мы получим аналог Т-триггера.

Цифровые счетчики

Простейший счетчик импульсов можно построить, соединив каскадно несколько Т-триггеров, как показано на рис. 14.32.

Рис. 14.32. Простейший 4-разрядный асинхронный счетчик, построенный на основе Т-триггеров

Каждая последующая ступень делит цифровой сигнал по частоте в 2 раза. С помощью такого счетчика можно зафиксировать 16 импульсов. Двоичный код на выходах будет меняться так, как показано в таблице на рис. 14.33 и на диаграммах напряжений, рис. 14.34.

Рис. 14.33. Счетчик, состоящий из JK-триггеров, и счетная последовательность по модулю 16

Рис. 14.34. Диаграмма, поясняющая работу счетчиков импульсов

Обратите внимание: сигнал с выхода предыдущего триггера поступает на тактовый вход последующего. Такая схема построения счетчиков называется асинхронной.

Асинхронная схема обладает существенным недостатком при использовании в цифровых приборах с требуемой высокой частотой импульсов. Поскольку все триггеры срабатывают не одновременно — не синхронно — образуется задержка, которая вносит погрешность в выходной результат. Чтобы повысить скорость счета, придумали синхронные счетчики, у которых тактовые входы объединяются, а остальные соединяются с применением дополнительных логических элементов. Все триггеры синхронного счетчика переключаются одновременно.

Счетчики бывают реверсивные и нереверсивные. Реверсивные могут считать импульсы, увеличивая или уменьшая значение двоичного кода на его выходах (например, К561ИЕ11, К561ИЕ14). Изменение направления счета, как правило, задается с помощью сигнала на отдельном входе, имеющего обозначение ± или ±1. Реверсивные счетчики могут генерировать увеличивающийся или уменьшающийся двоичный код. Многие счетчики имеют входы предустановки, которые позволяют «загрузить» в него определенный код и продолжить счет не от нулевого (или, максимального) значения, а именно от этого кода.

Практически все счетчики имеют вход сброса (R), подача сигнала на который устанавливает выходы в исходное состояние, то есть нулевое, рис. 14.35.

Рис. 14.35. КМОП микросхемы счетчиков

Все они считают импульсы, приходящие на вход, а некоторые имеют свободные логические элементы для выполнения задающего автогенератора в составе микросхемы (К176ИЕ5, К176ИЕ12). Есть счетчики, которые имеют внутри на выходе встроенный дешифратор двоичного кода в десятичный (например, К561ИЕ8 и К561ИE9). С особенностями работы таких счетчиков удобнее знакомиться на основе практических конструкций.

Интересными представителями этой группы логических «кирпичиков» считаются счетчики с переменным коэффициентом деления. Что это такое? Чуть выше мы рассмотрели 4-разрядный (тетрадный) двоичный счетчик. Не является ли излишним такое уточнение? Ничуть! Двоичный счетчик генерирует код, который легко представить в шестнадцатиричной системе, по шестнадцати состояниям. Но существуют также и десятичные счетчики, которые, досчитав до 9 от 0, вновь начинают с нуля. Десять цифр просто представлены своим двоичным эквивалентом, и не более. Есть и счетчики с коэффициентами 8, 6, а есть и такие, которые могут стать и десятичными, и двоичными, и другими — по желанию разработчика. Со временем читатель познакомится с этими представителями элементов цифровой техники.

Разные регистры

Очень часто в цифровых схемах используются регистры. Регистры, в отличие от счетчиков, не подсчитывают количество импульсов, а используются для накопления и сдвига данных. Самый простой вид регистра — сдвиговый. Его устройство изображено на рис. 14.36, а диаграмма, поясняющая работу, показана на рис. 14.37.

Рис. 14.36. Сдвиговый 4-разрядный регистр

Рис. 14.37. Диаграмма, поясняющая работу сдвигового регистра

Тактовые импульсы, поступающие на вход С, сдвигают цифровой сигнал слева направо. Сдвиговые регистры удобно использовать для преобразования последовательного цифрового кода в параллельный, когда код последовательно, бит за битом, «заталкивается» в регистр тактовыми (стробирующими) импульсами. Код появится в параллельном виде на выходах «2»…«5», и его можно будет считать с этих выходов за один раз, то есть параллельно.

Регистр сдвига легко превратить в параллельный кольцевой регистр. Для этого достаточно соединить выход «5» со входом «1» и ввести выводы параллельной загрузки двоичного кода в регистр. При подаче тактовых импульсов код будет «циркулировать» по регистру, то есть перемещаться в нем по кольцу.

Линейка RS-триггеров может образовать регистр-защелку, в которую можно загрузить данные в параллельном виде, однако сдвиг данных в регистре-защелке не предусматривается Этот вид логического устройства используется в качестве статической памяти.

Преобразователи кодов сигналов

Иногда появляется необходимость преобразовать двоичный код в какой-либо другой, который может быть использован для непосредственного управления цифровым индикатором или для других целей. Несколько реже встречается задача преобразования какого-либо кода в двоичный код. Для этих целей используются дешифраторы и шифраторы.

Наиболее часто в радиолюбительской практике встречается два вида дешифраторов. Условное обозначение обоих видов различается мало. На рис. 14.38, а, показан первый вид дешифратора.

Работает он следующим образом. При подаче на выводы «А0»…«АЗ» двоичного кода, на одном из выходов «0»…«9» появится сигнал лог. 1. Например, при подаче двоичного кода соответствующего цифре «5», на выходе «5» появится высокий уровень сигнала, а на всех остальных выходах — низкий. И так далее.

Второй вид дешифратора имеет такие же входы и выходы, но при подаче на входы двоичного сигнала на выходах будет появляться на первый взгляд бессмысленная комбинация сигналов. Но если подключить к выходам по определенному правилу, указанному в документации на дешифратор (например, по рис. 14.38, б), цифровой семисегментный индикатор, на нем появятся цифры, соответствующие вводимому коду.

Рис. 14.38. Микросхемы дешифраторов:

а — десятичного кода; б — для управления цифровым индикатором

А теперь несколько слов о шифраторах. Этот элемент очень похож на дешифратор первого вида с той лишь разницей, что входы становятся выходами, а выходы — входами. Двоичный код здесь не управляет элементом, а генерируется им.

Коммутаторы цифровые и аналоговых сигналов

Вы уже знаете, что в аналоговой схемотехнике для коммутации сигналов используются переключатели. И, если нужно один единственный сигнал подавать то на одну схему, то на другую, применяется переключатель «на несколько положений» — так называемый многоканальный переключатель. В цифровой технике для этих целей используются мультиплексоры и демультиплексоры.

У мультиплексора имеется несколько входов и один выход. Переключение осуществляется с помощью двоичного кода, подаваемого на специально предусмотренные входы. Отличие демультиплексора от мультиплексора заключается в том, что у демультиплексора один вход и несколько выходов. В остальном он подобен мультиплексору.

Созданы и специальные аналоговые мультиплексоры (коммутаторы), управляемые цифровыми уровнями, — они более близки к механическим включателям и применяются довольно часто. Для таких элементов безразлично, какой из выводов ключа будет являться входом, а какой выходом, а во включенном состоянии сам канал имеет маленькое сопротивление (20…100 Ом). Такое сопротивление часто можно не учитывать. Аналоговые коммутаторы более универсальны, так как могут передавать не только цифровые, но и любые другие сигналы, важно только, чтобы они не превышали напряжения питания для микросхемы (рис. 14.39).

Рис. 14.39. Обозначение и внутренняя структура часто используемых коммутаторов из серии 561

* * *

Мы не будем рассматривать большой класс логических элементов, называемых арифметическими устройствами. Сюда входят: полусумматоры, полные сумматоры, полувычитатели, полные вычитатели, интегральные сумматоры, двоичные умножители и некоторые другие устройства. В радиолюбительском творчестве они встречаются крайне редко, и в последнее время, когда стали доступны дешевые микроконтроллеры, необходимость в этих устройствах практически отпала.

 

Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

Сегодня большое распространение получили цифровые измерительные приборы, которые показывают на дисплее значения напряжения, тока, частоты, сопротивления и так далее — в цифровом виде. Информация сразу выдается в нужных единицах, например в микровольтах или килоомах. Не нужно задумываться о коэффициентах пересчета показаний, о цене деления шкалы. Все эти операции выполняются цифровым прибором автоматически. Удобно? Кто бы сомневался, что цифровая техника может творить чудеса!

Но возникает важный вопрос: если аналоговая и цифровая техника столь далеко отстоят друг от друга по принципам построения, то каким образом с помощью всего двух уровней электрического сигнала можно измерять аналоговые величины? Очевидно, необходимо осуществить преобразование одного сигнала в другой.

Представим, что в нашем арсенале есть «черный ящик», называемый аналого-цифровым преобразователем. (АЦП), имеющий один вход и несколько выходов, как показано на рис. 14.40, а. При подаче на вход определенного уровня сигнала на выходных контактах появится двоичный код. «Ящик» устроен так, что при подаче на вход сигнала от нулевого уровня до максимально оговоренного, будет меняться выходной двоичный код, причем в комбинациях кода отсутствует повторение. Процедура преобразования аналогового сигнала в двоичный цифровой код имеет одну важную особенность, о которой надо сразу упомянуть. Вдумайтесь: число кодовых комбинаций ограничено, а входной сигнал имеет бесконечное множество возможных значений. Договорились разбить диапазон, на котором происходит преобразование, на участки, количество которых равно числу возможных кодовых комбинаций, и считать измеренным значение, занимающее середину этого малого отрезка. Сигнал приобретет ступенчатый вид, и эта ступенчатая кривая будет тем больше приближаться к исходной непрерывной кривой, чем больше отрезков удастся набрать. Графически это «ступенчатое» преобразование изображено на рис. 14.40, б.

Рис. 14.40. Аналого-цифровой преобразователь ( а ) и график, поясняющий его работу ( б )

Полученный код можно занести в память компьютера, преобразовать его в десятичные цифры и выводить на индикатор. Достоинство такого способа заключается в возможности запоминания не только однократного измерения, но и серии измерений, скажем, зафиксировать изменение сопротивления в течение суточных колебаний температуры.

А возможно ли обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый?

Да, и оно встречается очень часто. Вспомните хотя бы музыкальные компакт-диски, отличающиеся потрясающим качеством звуковоспроизведения, отсутствием «старения» с течением времени, которое наблюдается у «аналоговых» виниловых дисков и магнитной ленты. Сигнал хранится на компакт-диске в виде кодовой последовательности и, поданный на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), превращается в звуковые колебания (рис. 14.41).

Рис. 14.41. Цифроаналоговый преобразователь

Выходной сигнал ЦАП, в соответствии с законом конечности кодовых комбинаций, имеет ступенчатую форму, но в случае с компакт-диском количество кодовых комбинаций выбирается таким, чтобы эти «ступеньки» не были заметны на слух.

Внешне ЦАП и АЦП выглядят как обычные микросхемы, их даже можно спутать друг с другом по изображению на принципиальных схемах, настолько они похожи! Различать эти микросхемы можно, как всегда, по маркировке на корпусе и по надписям на графических изображениях в принципиальных схемах: D/А (ЦАП), А/D (АЦП).

Преобразователи, отличаются друг от друга по скорости преобразования сигнала в код и кода в сигнал, точности преобразования, температурной стабильности. В настоящее время разработаны АЦП, способные преобразовать в коды сигнал с частотой в сотни МГц.

Преобразователи с высокой степенью стабильности и точности считаются уникальными, дорогостоящими элементами, поэтому перед созданием конкретного устройства с применением преобразователей надо прежде всего оценить требования к точности и по возможности использовать не высокоточные элементы, а стандартные.

Важным параметром ЦАП и АЦП является их разрядность — количество бит цифрового кода, выдаваемого на выходе ЦАП или получаемого со входа АЦП. Чем выше разрядность, тем с более высокой точностью можно осуществлять преобразования сигналов. Широко распространены 8- и 10-разрядные преобразователи. ЦАП и АЦП с разрядностью более 12 бит считаются высокоточными, а следовательно, дорогостоящими.

В последнее время преобразователи ЦАП и АЦП, встроенные в специальное устройство — цифровой сигнальный процессор (DSP), — стали широко применяться в устройствах фильтрации и обработки аналоговых сигналов (рис. 14.42).

Рис. 14.42. Канал цифровой фильтрации

Преобразовав с помощью АЦП сигнал в цифровой код, можно подвергнуть его обработке по определенным правилам, например, «завысить» высокие частоты или убрать помехи, трески, шумы. Общее название этих операций — цифровая фильтрация. Затем, после фильтрации, с помощью ЦАП восстановить аналоговый сигнал.

Где находит широкое применение цифровая фильтрация? Подавляющее большинство систем сотовой связи оснащено такими фильтрами, поскольку намного проще изготовить цифровой фильтр с высокой стабильностью параметров фильтрации, чем проектировать аналоговые фильтры, требующие серьезной настройки. Цифровые фильтры, кроме того, оказываются намного компактнее аналоговых.

 

Современные микроконтроллеры и их место в радиоаппаратуре

Сегодня, если мы скажем, что миниатюрный программируемый вычислитель — микропроцессор или микроконтроллер — занимает в современной аппаратуре центральное место, то не слишком отклонимся от истинного положения вещей. Речь идет именно о программируемых вычислителях, а не об устройствах типа электронных калькуляторов. Своему современному виду, структуре и принципам действия компьютерная техника во многом обязана Джону фон Нейману, который разработал концепцию хранения программы, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов непосредственно внутри компьютера.

Давайте рассмотрим классическую фон неймановскую структуру, изображенную на рис. 14.43.

Рис. 14.43. Структура классического компьютера

Информация в буквенно-цифровом, графическом, двоичном или ином видах вводится через устройство ввода в память компьютера, специально отведенную для хранения данных. В этой же памяти, но в другом ее месте, хранится программа — последовательность инструкций, предписывающая компьютеру производить определенные действия с данными. Инструкции программы выполняет центральная часть компьютера — микропроцессор. Подчиняясь инструкциям, как раб подчиняется своему хозяину, микропроцессор извлекает данные из памяти, обрабатывает их и вновь возвращает в память.

Специальные инструкции могут предписать микропроцессору отправить данные на устройство вывода. На сегодняшний день имеется столько разнообразных устройств вывода, что всех их упомянуть в книге представляется сложной задачей. Устройства могут быть классическими, хорошо всем известными, например буквенный или графический монитор, принтер, графический плоттер, звуковой порт. Могут быть и другие варианты: цифроаналоговый преобразователь, металлообрабатывающий станок с программным управлением, реле управления мощными электродвигателями, блок активных датчиков. Любой персональный компьютер построен так, что можно, быстро сменив устройство ввода или вывода, перезагрузив программу, изменив объем памяти, настроить вычислитель на решение совершенно другой задачи. Запомните: компьютер — это универсальный гибкий прибор.

А теперь разберемся, может ли существовать микропроцессор отдельно от других частей компьютера? Классический микропроцессор не имеет внутри ни памяти, ни устройств ввода-вывода, называемых по-другому периферийными устройствами. Отдельный микропроцессор, извлеченный из компьютера, — это бесполезная микросхема, которую не удастся использовать ни в каком качестве, разве что подложить ее под ножку неустойчивого стола. Микропроцессор «умеет» только распознавать инструкции программы, работать с данными и пересылать их. Конечно, знатоки компьютеров могут возразить, напомнив, что все современные процессоры имеют так называемую встроенную кэш-память. Однако кэш-память используется только как вспомогательная для ускорения работы процессора и постоянно не хранит результатов вычислительного процесса.

Что процессор делает с данными, например с двумя двоичными числами, извлеченными, из памяти? Как ни странно, но простейшие операции, которые мы рассматривали в этой главе, — сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, перестановка битов… Есть еще другие простые служебные операции, о которых мы здесь не упоминаем, поскольку в наши планы не входит рассказ о работе конкретных процессоров. Суть в другом: процессор выполняет эти операции намного быстрее, чем человек «вручную», а значит, не приходится тратить время на механическую работу, посвящая высвободившееся время собственно творческим задачам.

Итак, мы разобрались в роли процессора как вычислительного устройства компьютера. И все хорошо, когда мы, сидя дома, в школе, в колледже, в институте, на работе, используем персональный компьютер для расчетов по математическим формулам, для подготовки текстовых документов, для поиска в Интернете, для игр в конце концов. Компьютер никуда не надо передвигать, он стоит себе на столе, жужжит своими вентиляторами, мигает светодиодами, трещит дисководами и радует глаз насыщенными красками монитора. А если компьютер понадобился, например для расшифровки кода автомобильной сигнализации, получаемого от брелка-«лентяйки», и управления замками дверей? Если объемы электронного прибора малы, а его стоимость должна быть на порядки меньше стоимости «персоналки»? Если требуются гораздо более скромные вычислительные способности, немного памяти и элементарные устройства ввода-вывода в виде нескольких цифровых выходов? Классический настольный персональный компьютер окажется здесь слишком расточительным!

К счастью, профессиональные разработчики, которым была поставлена такая задача, предложили очень интересную техническую идею. Они упростили микропроцессор, исключили из него ненужные «куски», но расположили на этом же кристалле и память небольшого объема, и простые периферийные устройства типа задатчиков интервалов времени — таймеров, цифровых линий ввода-вывода — портов, вспомогательных аналоговых устройств типа ЦАПов, АЦП, компараторов. В некоторых случаях была оставлена возможность расширения памяти, в других же такую возможность исключили. Также разработчики отказались от возможности выводить информацию на дисплей, принтер и другие сложные устройства. И компьютер превратился в однокристальный микроконтроллер — самостоятельное устройство в виде отдельной микросхемы, которое уже стало возможным применять в электронных приборах. Перестраивать микроконтроллер на решение другой задачи довольно сложно, так как в нем не предусмотрена оперативная замена программ: Но этого и не нужно — в подавляющем большинстве случаев микроконтроллер устанавливается в прибор раз и навсегда.

Микроконтроллеры — это недорогие электронные компоненты. Их рынок сейчас стремительно развивается. Многие фирмы, в том числе и несколько отечественных, предлагают тысячи разных микросхем с разнообразным внутренним устройством, быстродействием, возможностью многократной перезаписи программ или однократного программирования. Микроконтроллеры сегодня — это не предмет заоблачных радиолюбительских мечтаний, а вполне реальные возможности, доступные по финансовым и техническим соображениям практически всем. Необходимо только приобрести немного практического радиолюбительского опыта в отладке более простых цифровых схем, после чего можно учиться программированию, работать с микроконтроллерами «живьем». Надеемся, что читатели этой книги тоже заинтересуются миром вычислительной техники и попробуют свои силы в разработке радиолюбительских схем с использованием компьютерной техники. Одним из примеров использования микроконтроллеров в радиолюбительском творчестве может служить книга [7].

 

Интересные факты и цифры

Компьютер уже обогнал автомобиль

К тридцатилетнему юбилею персонального компьютера на основе процессоров Intel, которое было отмечено в 2001 г., оказалось, что в мире продано больше компьютеров с процессорами фирмы, чем автомобилей, произведенных за все время существования этого популярного вида транспорта. Сегодня современный автомобиль содержит более 20 встроенных микроконтроллеров, которые при помощи датчиков следят за состоянием узлов и управляют их работой.

Чистота — залог здоровья… микропроцессоров

При производстве микропроцессоров необходимо, чтобы люди, участвующие в этом процессе, были настолько же чистыми как и помещения, в которых они работают. Это связано с тем, что микропроцессор состоит из миллионов микроскопических транзисторов. Самая малая пылинка, оказавшаяся на кристалле, подобна гигантскому монстру: она блокирует схемы микропроцессора, полностью выведет его из строя. Сверхчистые помещения, в которых изготавливаются микропроцессоры, называются «чистыми комнатами». «Чистая комната» первого класса — самая чистая и содержит не более одной пылинки на кубический дециметр.

История процессоров — история Intel

1971 — Intel 4004. Четырехразрядный, ставший первым в семействе процессоров, выпущенных на рынок этой компанией.

1972 — Intel 8008. По сравнению с предыдущим разрядность процессора возросла вдвое.

1974 — Intel 8080. Десятки тысяч компьютеров «Альтаир» на основе этого процессора разошлись за несколько месяцев, образовав небывалый спрос на персональные компьютеры.

1978 — Intel 8086, Intel 8088. Появление архитектуры IBM PC.

1982 — Intel 286. Знаменитый компьютер «двойка».

1985 — Intel 386. Не менее знаменитая «тройка». Заложена 32-разрядная архитектура и возможность работы многозадачных операционных систем.

1989 — Intel 486. «Четверка». Встроенный математический сопроцессор существенно ускоряет обработку данных, не нагружает центральный процессор. Появление многозадачных графических систем типа Windows.

1993 — Intel Pentium. Повышается тактовая частота, появляется возможность обработки в реальном времени не только статических объектов, но и движущихся изображений.

1995 — Intel Pentium Pro. Процессор для компьютеров, использующихся для сложных профессиональных расчетов в промышленности и науке. Быстродействие увеличено.

1997 — Intel Pentium II. Возможность работы с любой «графикой», в том числе и с трехмерной.

1999 — Intel Pentium II Хеоn. Дальнейшее повышение скорости обработки информации.

1999 — Intel Celeron. Упрощенная версия вышеназванного процессора для недорогих домашних персональных компьютеров.

1999 — Intel Pentium III. Скорости растут…

1999 — Intel Pentium III Хеоn.

2000 — Intel Pentium 4.

2001 — Intel Xeon.

2001 — Intel Itanium. Новая архитектура с параллельной обработкой информации.

Появление новых процессоров сегодня происходит с такой скоростью, что только периодические компьютерные издания успевают сообщать о них специалистам.

Почем пентиум для народа?

Первые компьютеры были столь же феноменально дороги, сколь и замечательно новы. Первый изготовленный в Америке компьютер — ENIAC — обошелся правительству США примерно в три миллиона долларов, хотя имел вычислительную мощность, сравнимую с примитивным современным карманным микрокалькулятором. Для того чтобы сделать возможным повсеместное использование компьютеров, стоимость вычислений нужно было уменьшить. С 1947 по 1987 г. транзисторы и интегральные схемы снизили стоимость одного элементарного логического элемента в сто тысяч раз. Ту же вычислительную мощность, которая когда-то стоила три миллиона долларов США, стало возможна приобрести всего за 30 долларов!

Сегодняшний рынок компьютерной техники — это множество фирм-производителей, масса магазинов и торговых предприятий. Наращивание мощности, появление новых устройств типа «материнских плат», процессоров, видеоадаптеров, винчестеров, приводов CD-ROM приводят к постоянной смене компьютерного «железа». То, что стоило пару лет назад $100, сегодня стоит на рынке уже $10.

Соответственно, устаревшие модели дешевеют, становятся доступнее тем, кто не мог себе позволить текущий «брэнд». Замечено, что так называемый «брэнд» в мире компьютеров — модель, соответствующая передовому уровню технических решений, стоит во все времена примерно одинаково: порядка $1000. Когда-то столько стоил Pentium-100, теперь столько стоит Pentium-IV.

Первая женщина-программист

«Под словом «операция» мы понимаем любой процесс, который изменяет взаимное соотношение двух или более вещей…

Аналитическая машина воплощает в себе науку операций» — так писала в 1843 г. разносторонне развитая женщина Августа Ада Лавлейс, дочь знаменитого поэта Дж. Байрона, комментируя статью изобретателя Чарлза Беббиджа. Августа Лавлейс не только переводила статьи о вычислительных машинах на разные языки, но и дополняла их собственными комментариями, свидетельствующими о замечательном понимании ею принципов работы таких устройств. Кроме того, она привела ряд примеров практического использования машин. Терминология, которую ввела Августа Лавлейс, и сегодня используется программистами. Ей принадлежат термины «рабочие ячейки», «цикл» и некоторые другие.

Мышь — это не только животное

Знаменитая «мышь», которой пользовались все, кто хоть раз работал на компьютере, она же «индикатор позиций X и Y на экране», она же «манипулятор», появилась в 1964 г. Ее изобрел Дуглас Карл Энгельбарт из Стэнфордского исследовательского института. Первая мышь выглядела совершенно непривлекательно. Это была деревянная коробочка, которая перемещалась по столу на колесиках, отсчитывая их обороты и развороты. Затем информация вводилась в компьютер и управляла перемещением курсора на экране.

В дальнейшем механизм «мыши» стал совершенствоваться, и в 1982 г. появилась «оптическая мышь». В ней на смену шарикам и колесикам пришла сложная оптика. Но «оптическая мышь» нуждалась в специальном, размеченном клетками коврике, что значительно удорожало это новшество и не способствовало в те годы его широкому распространению. Однако идея избавиться от провода, связывающего компьютер с «мышью», все же не оставляет разработчиков. В 1998 г. корпорация Microsoft представила на рынке очередную «оптическую мышь», в которой роль системы, отслеживающей движение, выполняет мини-камера, а коврик вообще не нужен — подойдет поверхность любого стола. В отличие от шариковой мыши, в оптической засоряться пылью нечему, что избавляет от хлопот по обслуживанию. Стоит такая «мышь» в 5–7 раз дороже, чем классическая механическая, но все равно объемы ее продаж высоки.

Чуть позже появилась разновидность, называемая «беспроводная интеллектуальная мышь-проводник». Как и было в предшественнице, роль «чувствительного элемента» исполняет цифровая видеокамера, сканируя поверхность коврика с частотой 6 кГц и анализирующая полученное изображение.

Клавиатура как устройство ввода информации

Компьютерная клавиатура, которая сегодня является основным способом «общения» человека и компьютера, унаследована от механических печатных машинок. Естественно, в расширенном варианте, с добавлением кнопок. Но вот откуда взялась такая необычная последовательность букв, расположенных не в алфавитном порядке, а вроде «как Бог на душу положил» — бессистемно? Данный расклад имеет наименование «qwerty» по последовательности верхнего левого ряда букв.

Такой расклад появился в 70-х гг. XIX в. Патент на него получил англичанин Кристофер Шоулз. Классическое расположение «abcdef» в то время несовершенных печатных машинок приводило к тому, что литые брусочки с буквами, которые оставляли отпечаток на бумаге, постоянно цеплялись друг за друга. Нужно было создать такой расклад, при котором любые две буквы, комбинация которых наиболее часто встречается в английском языке, чередовались малоупотребимыми или неупотребимыми сочетаниями. Английский алфавит был проанализирован с этой точки зрения и родился вариант «qwerty».

Чипизация — шаг в будущее?

Несколько американских электронных компаний заявили, что ими разработан микрокомпьютер, который можно вживлять человеку под кожу. Зачем? Этот микрокомпьютер может хранить персональные данные, например, сведения о состоянии здоровья, банковские реквизиты счета, номера телефонов и другую информацию. С помощью таких чипов возможно отследить траекторию перемещения его владельца. Эксперименты, финансируемые министерством обороны США, проводятся в одном студенческом городке: студенты могут получать информацию о перемещениях друг друга, автоматические системы слежения предупреждают о лекциях и встречах.

Знакомая читателям компания IBM сегодня также работает на рынке микрокомпьютеров — она разрабатывает так называемую «цифровую бижутерию» — серьги, кольца, брошки, запонки, галстучные булавки. Эти устройства, не нарушая внешнего вида человека, позволят более полно использовать его рабочее время.

Калифорнийская компания VivoMetrics специализируется в области медицинских датчиков. В одежду вшиваются электроды, которые контролируют состояние здоровья владельца и его местонахождение. Датчики через специальную сеть могут обратиться к медикам, которые тут же дадут полезные советы. Кроме того, чипы могут использоваться для поиска пропавших детей и людей, страдающих старческой забывчивостью.

Если технические вопросы в данном случае считаются практически решенными, то вопросы юридические еще не решены. Контроль места нахождения человека — это вторжение в его личную жизнь, нарушение естественного права на эту жизнь. Пока речь идет о добровольном использовании вживленных чипов, но кто знает, может, в будущем эти промышленные корпорации, продвигая свой бизнес, узаконят обязательную «чипизацию» населения. Ведь массовое вживление электронных микрокомпьютеров — очень выгодный заказ.

Литература

1. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. — М.: Радио и связь, 1988.

2. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 2. — М.: СОЛОН-Р, 2001.

3. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. 2-е изд. — М.: Радио и связь, 1996.

4. Партин А. С., Борисов В. Г. Введение в цифровую технику. — М.: Радио и связь, 1987.

5. Токхайм Р. Основы цифровой электроники. — М.: Мир, 1988.

6. Семенов Б. Ю. Современный тюнер своими руками: УКВ стерео + микроконтроллер. — М.: СОЛОН-Р, 2001.

7. Семенов Б. Ю. Шина I2С в радиотехнических конструкциях: — М.: СОЛОН-Р, 2002.