Цифровые устройства

Аннотация. Дисциплина “Цифровые устройства и микропроцессоры” в учебном плане специальности 201500 является одной из профилирующих.

Основное внимание на занятиях уделяется общетеоретическим положениям анализа и проектирования достаточно простых цифровых устройств  комбинационного ипоследовательностного типов (логических элементов, мультиплексоров, триггеров, регистров, счетчиков и др.), являющихся базой для построения сложных БИС микропроцессоров и микропроцессорного обрамления, а также принципам построения и функционирования микропроцессоров и радиотехнических устройств на их основе.

В первых разделах рассматриваются  преимущества цифровых устройств, перечислены  области их оптимального применения, приводятся классификация и определения  устройств различных типов, материал иллюстрируется примерами практического  использования. Далее приводятся характеристики микропроцессоров различных поколений, системы команд, аппаратное устройство микропроцессорных систем (контроллеры,  порты и т.д.).                

Учебная задача. В результате изучения дисциплины студент должен получить знания о простейших цифровых устройствах комбинационного и последовательностного  типов и сложнейших микропроцессорных системах. Отчетливо понимать, что все эти устройства и системы служат для обработки информации представленной в цифровом виде (кодами) и уметь организовать достоверную, безопасную, в режиме реального времени их передачу и обработку.               

 

 

            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Мазмұны

 

	Содержание...............................................................................................
1	Краткое поеснение о практике ................................................................
	Негізгі бөлім...............................................................................................
2	Введение....................................................................................................
2.1	Цифровое устройства....................................................................................................
2.2	Классификация цифровых устройств..................................................
2.3	Современные цифровые устройства......................................................
2.4	Комбинационные устройства.................................................................................................
2.5	Цифровое устройство, для  автоматического управления исполнительными  приборами...................................................................
2.6	Заключение............................................................................................
2.7	Қолданылған дереккөздер  тізімі...............................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                   2.Введение

 

В настоящее  время цифровые устройства получили широкое распространение во всех областях науки и техники. Достоинством цифровых устройств является простота, надежность, помехозащищенность ненадобность настройки. Недостатком  является дискретизация при обработке сигналов, а следовательно и, так называемые, шумы квантования и частичная потеря информации. С развитием элементной базы и разработкой новых алгоритмов и схемных решений, перечисленными недостатками можно пренебречь. Поэтому цифровые устройства постепенно вытесняют аналоговую технику.

Неотъемлемой  частью цифрового устройства является Устройство управления, и периферия (ОЗУ, ПЗУ и элементы ввода-вывода), которые как правило реализуются  на одной схеме – микроконтроллере. Вся разница заключается в  различии технических характеристик  устройства управления и периферии (Объем ОЗУ и ПЗУ, возможности  устройства ввода-вывода) а следовательно  и самого микроконтроллера. Цифровые устройства могут содержать несколько  микроконтроллеров, а также дополнительную память (если не хватает внутренней памяти микроконтроллера), что повышает быстродействие и универсальность  как самого устройства так и отдельных  его элементов.

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        2.1 Цифровое устройства

      

       Цифровые устройства – это устройства для обработки информации, представленной в доступной для компьютера форме

       Цифровое устройство ( англ.Digital device) - техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии.Физически цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электромеханической (на электромагнитных реле), электронной (на диодах и транзисторах), микроэлектронной (на микросхемах), оптической.В последнее время, ввиду достижений микро- и наноэлектроники, широкое распространение получили цифровые устройства на микроэлектронной элементной базе.Примерами цифровых устройств являются широко распространённые сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, цифровые видеокамеры, веб-камеры, компьютеры, цифровое телевидение, DVD-проигрыватели. В настоящее время широко используются различные цифровые устройства вывода, обработки и вывода информации, такие как цифровые фотоаппараты и видеокамеры, веб-камеры, сканеры, сенсорные экраны, электронные аппараты, электронные книги и фоторамки.

        Цифровыми называют устройства, в которых информация представлена в цифровом виде и в дальнейшем может быть обработана на компьютере. таким образом, совместное использование цифровых устройств и компьютера является неотъемлемым звеном в цепочке обработки информации.

         Цифровым устройствам чаще всего отводится роль получения информации в цифровом виде или её преобразования в цифровую форму (оцифровки) наиболее популярными и доступными в настоящее время цифровыми устройствами стали цифровые фотоаппараты. Пришедшие на смену плёночным фотоаппаратам, цифровые более удобны в обращении, компактны и надёжны. Представление информации в цифровом виде существенно упрощает обработку изображений с помощью компьютера.В зависимости от типа и назначения цифрового фотоаппарата (любительский или профессиональный) интерфейс и особенности работы с ним могут отличаться.Чаще всего цифровые фотоаппараты подключаются к компьютеру через (USB-порт). Для этой цели в комплект поставки входит специальный кабель. После подключённая система определяет наличие сменного диска, каковым является устройство памяти фотоаппарата, и дальше работает с ним как с обычным носителем информации, обеспечивая возможность удаления, копирования и перемещения файлов с изображениями.Простые бытовые фотоаппараты чаще всего сохраняют изображения в формате JPG или TIF в зависимости от качества снимка (разрешения изображения), которое выбирает пользователь. Современные цифровые фотоаппараты обеспечивают возможность видеозаписи, а также съёмки и сохранения нескольких кадров в одном файле.

Цифровые устройства проще, чем аналоговые реализуются на микросхемах. Практически в цифровой аппаратуре пока нельзя построить в микроэлектронном варианте только датчики, исполнительные органы, устройства ввода и вывода информации и электромеханические  узлы. 
          Цифровое устройство - устройство, предназначенное для приема, обработки и выдачи цифровой информации.Цифровые устройства выгодно отличаются высокой точностью, большими логическими возможностями и значительным быстро Цифровое устройство, содержащее микропроцессор, легко настраивается на решение различных задач обработки данных или управления сменой или перепрограммированием ПЗУ. Это и обеспечивает его универсальность.Структурная схема последо-вательностного цифрового устройства. Цифровое устройство называется последовательностным, если его выходные сигналы Yзависят не только от текущих значений входных сигналов Jf, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени. В ПЦУ предыстория поступления последовательности входных сигналов обязательно фиксируется с помощью специальных запоминающих элементов или элементов памяти. Поэтому говорят, что ПЦУ обладают памятью. Элемент памяти помимо входных и выходных сигналов характеризуется состоянием, которое может изменяться в дискретные моменты времени под воздействием сигналов на его входе. Это состояние сохраняется сколь угодно долго, по крайней мере, в течение некоторого промежутка времени. Как уже было сказано, ПЦУ называются также цифровыми автоматами, конечными автоматами или автоматами с памятью. 
         Цифровое устройство для программного управления усилием прессования служит для изменения давления в гидросистеме по заранее заданному закону. 
         Цифровые устройства на светоиз-лучающих диодах относятся к полупроводниковым источникам излучения оптического диапазона и способны эффективно преобразовывать электрическую энергию в световую. Принцип действия светонзлучающих диодов основан на ин-жекцнонной люминесценции: свечение возникает при пропускании электрического тока через границу соприкосновения двух слоев полупроводника р-п-проводимостью. 
Цифровое устройство имеет структуру 16-разрядного двоичного слова. 
Цифровое устройство обеспечивает преобразование совокупности цифровых входных сигналов X в выходные сигналы Y. Для формирования цифровых выходных сигналов используют цифровые устройства двух классов: комбинационные цифровые устройства ( КЦУ), выходные сигналы У которых в некоторый момент времени tn зависят только от совокупности ( комбинации) сигналов X, присутствующих на их входах в тот же момент времени /, и не зависят от входных сигналов, поступающих в предшествующие моменты времени; последовательностные цифровые устройства ( ПЦУ), выходные сигналы Г которых в момент tn определяются не только комбинациями входных сигналов X, воздействующих в тот же момент /, но и сигналами, поступающими на входы в предшествующие моменты времени. В последовательностных цифровых устройствах обязательно присутствуют элементы памяти, внутреннее состояние которых отражает предысторию поступления последовательности входных сигналов. 
Цифровые устройства имеют принципиальные схемотехнические отличия от аналоговых устройств, обусловленные следующими факторами: менее жесткими требованиями к точности, стабильности параметров и характеристик элементов; возможностью синтеза систем любой сложности с помощью ограниченного набора базовых логических элементов и элементов памяти; возможностью сопряжения функциональных узлов без специальных согласующих элементов ( благодаря использованию гальванической связи между функциональными узлами); простотой расширения функциональных возможностей путем набора требуемых сочетаний интегральных микросхем. 
Структурная схема последо-вательностного цифрового устройства. Цифровое устройство называется последователъностным, если его выходные сигналы 7 зависят не только от текущих значений входных сигналов X, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени. В ПЦУ предыстория поступления последовательности входных сигналов обязательно фиксируется с помощью специальных запоминающих элементов или элементов памяти. Поэтому говорят, что ПЦУ обладают памятью. Элемент памяти помимо входных и выходных сигналов характеризуется состоянием, которое может изменяться в дискретные моменты времени под воздействием сигналов на его входе. Это состояние сохраняется сколь угодно долго, по крайней мере, в течение некоторого промежутка времени. Как уже было сказано, ПЦУ называются также цифровыми автоматами, конечными автоматами или автоматами с памятью. 
         Цифровые устройства для запоминания измерительной информации появились сравнительно недавно и могут быть отнесены к числу наиболее эффективных средств оперативного накопления и представления информации о вибрационных процессах. Типичным представителем этой группы устройств является цифровой самописец мод. Он предназначен для регистрации и воспроизведения кратковременных процессов в аналоговой и цифровой форме. 
Принципиальная схема трехразрядного регистра сдвига. Цифровые устройства строят из типовых узлов и логических элементов, представляющих собой интегральные микросхемы. 
Цифровое устройство, дающее информацию о времени дня. Оно обычно используется как средство диспетчерского контроля при сборе данных. 
 
Структура тактированного устройства.| Тактирующие последо - [ IMAGE ] - 26. Распределитель импульсов на вателыюсти на выходе распреде - сдвигающем регистре. Цифровые устройства ( триггеры, регистры и др.) работают, как правило, циклически. Некоторые комбинации сигналов подаются на вход, а затем, через время, определяемое задержками срабатывания входящих в устройство логических элементов, на выходе устройства появляется результат. После съема этого результата на вход подается новая комбинация сигналов и цикл повторяется снова. Результат с выхода можно снимать не раньше, чем закончатся все переходные процессы внутри устройства или группы. Однако нельзя заранее предсказать достаточно точно длительность этих переходных процессов, так как соответствующие параметры ЛЭ могут иметь значительный разброс. 
Цифровые устройства имеют принципиальные схемотехнические отличия от аналоговых устройств, обусловленные следующими факторами: менее жесткими требованиями к точности, стабильности параметров и характеристик элементов; возможностью синтеза систем любой сложности с помощью ограниченного набора базовых логических элементов и элементов памяти; возможностью сопряжения функциональных узлов без специальных согласующих элементов ( благодаря использованию гальванической связи между функциональными узлами); простотой расширения функциональных возможностей путем набора требуемых сочетаний интегральных микросхем.

 

 

 

     Цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные и последовательностные. Комбинационные устройства характеризуются отсутствием памяти. Сигнал на выходе такого устройства однозначно определен набором сигналов на его входах в текущий момент времени. Комбинационными устройствами являются электронные ключи, элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, дешифраторы, мультиплексоры. Последовательностные устройства имеют память, и при смене информации на входах сигнал на выходе будет зависеть от состояния, в котором устройство находилось до этого. К комбинационным устройствам относятся триггеры, счетчики ( делители частоты) и регистры. 
-v действием. 
Цифровые устройства включают кодирующие и декодирующие элементы, которые могут быть механическими или электрическими. В этих устройствах контролируемый параметр преобразуется обычно в двоичный код и регистрируется на лентах или карточках с помощью перфорации, печатания, фотографии и других методов. 
Оптимальные графики движения лифта. Цифровое устройство формирует на входе электромашинного или магнитного усилителя системы Г - Д некоторое функциональное воздействие ( закон управления), которое определяется предварительно по результатам синтеза. 
 
Цифровые устройства представляют собой базу для вычислительной техники и дискретной автоматики. Логические уровни О и 1 с конкретным значением напряжения не связаны. 
Основные логические схемы. Цифровые устройства в зависимости от применяемого кода разделяются на устройства последовательного и параллельного действия. 
Цифровые устройства включают кодирующие и декодирующие элементы, которые могут быть механическими или электрическими. В этих устройствах контролируемый параметр преобразуется обычно в двоичный код и регистрируется на лентах или карточках с помощью перфорации, печатания, фотографии и других методов. 
Цифровое устройство ( ЦУ) обрабатывает цифровые воздействия различной физической природы. 
Основные характеристики накальных индикаторов. Газоразрядные цифровые устройства отличаются тем, что изображения различных цифр одного разряда создаются на одном знакоместе. 
Микроэлектронные цифровые устройства, представляющие собой дискретные ( цифровые) автоматы, служат для обработки информации, представленной цифровым кодом, и применяются в системах информационно-вычислительной и цифровой измерительной техники. 
Упрощенная структурная схема цифровой обработки сигналов. Цифровое устройство усреднения, обеспечивающее усреднение анализируемого сигнала по линейному и экспоненциальному ( или показательному) законам, отличается универсальностью и эффективностью, недостижимым для аналоговых усредняющих устройств. 
Структурная схема анализатора спектра. Цифровое устройство усреднения обеспечивает усреднение данных по линейному закону, при котором усреднение осуществляется за определенный интервал времени, и показательному закону, при котором обеспечивается текущее усреднение во времени. В общих режимах усреднения предусмотрены 13 постоянных времени в диапазоне от 1 / 32 до 128 с. Анализатор спектра содержит запоминающее устройство, в котором могут храниться два частотных спектра. Такое решение позволяет производить сравнительный анализ двух исследуемых процессов. 
Цифровое устройство ВЗПИ предназначено для сбора информации ТС и для передачи команд ТУ контролируемым пунктам, рассредоточенным по линии связи. Предусмотрена возможность расширения объема информации на КП. 
Последовательные цифровые устройства ( конечные автоматы) содержат элементы памяти и выполняются обычно на основе триггеров. 
Разработанное цифровое устройство исключает необходимость физического моделирования законов управления и позволяет реализовать любой ( в том числе и нелинейный) закон управления с высокой степенью точности. 
 
Решающие цифровые устройства выполнены на стандартных логических элементах, использующих высокоскоростные переключающие транзисторы. 
Элементы шкалы.| Цифровые отсчетные устройства. Механические цифровые устройства используются в тех цифровых приборах, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов. 
Цифровые устройства рассмотренного типа достаточно просто реализуются на ПЛМ с памятью. 
Цифровые устройства автоматического контроля и управления производственными процессами должны длительное время работать без участия обслуживающего персонала, что исключает возможность их настройки и регулировки в процессе работы. Поэтому при проектировании этих устройств особое внимание должно уделяться их надежной работе. 
Функциональная схема аналогового элемента памяти. Рассмотренные аналоговые и цифровые устройства для измерения удара позволяют определять многие параметры ударного импульса, контролировать форму импульса, а также регистрировать ударный импульс. 
Полупроводниковые импульсные и цифровые устройства объединяют обширную группу устройств, которые применяются в системах управления технологическими процессами, при передаче информации, в измерительной и вычислительной технике. В современных импульсных и цифровых устройствах работают ОУ в импульсном режиме и транзисторы в качестве бесконтактных ключей. 
Рассмотренные аналоговые и цифровые устройства для измерения удара позволяют определять многие параметры ударного импульса, контролировать форму импульса, а также регистрировать ударный импульс. 
Цифровое устройство автоматического контроля отклонений сравнивает значения параметров в каждой контролируемой точке, выраженные двоично-десятичным кодом, с уставками; при отклонении от нормы оператору выдается сигнал. 
Блок-схема двоичного нереверсивного счетчика СЧН. Обычно цифровые устройства ввода задания целесообразно выполнять в десятичной системе, в то время как основные математические операции технически удобнее решать в двоичной системе. 
Аналогично любому цифровому устройству кодирующие преобразователи перемещений основаны на квантовании, кодировании и использовании основных методов измерения-сопоставления и уравновешивания, однако обладают рядом специфических особенностей. 
Типичным цифровым устройством для измерения удара является цифровое регистрирующее устройство ударного акселерометра ВВУ-032. Устройство позволяет измерять максимальное ударное ускорение и длительность одиночного ударного импульса, каждого ударного импульса из последовательности многократно повторяющихся ударных импульсов, первого ударного импульса из серии повторных ударов, колебательного затухающего ударного процесса, а также наблюдать на экране электроннолучевого осциллографа форму измеряемого ударного импульса. Кроме того, в устройстве предусмотрены логическая защита от импульсов помех, внутренние фильтры и выходы для подключения внешних фильтров. Устройство дает возможность измерять напряжение 1 - 990 мВ при частоте 1 Гц - 20 кГц, а также длительность ударных импульсов 0 5 - 100 мс. 
 
Каждое цифровое устройство ( ЦУ) состоит из цифровых автоматов, соединенных между собой определенным образом. Функцией ЦУ в общем случае является образование новых выходных слов ( данных) из слов, поступающих на его входы ( входных данных), и внутренних, уже имеющихся в устройстве, слов. Так, функцией устройства умножения чисел является получение произведения кодов сомножителей. Функцией ЦУ может быть выполнение не одной, а нескольких операций, например, кроме умножения, ЦУ может выполнять и другие арифметические операции. В этом случае кроме входов и выходов данных имеются и входы кода ( наименования) операции, которую необходимо выполнить. 
В цифровые устройства, которые осуществляют различные арифметические и логические операции, двоичный код должен поступать параллельно или последовательно. В последнем случае он должен быть развернут младшими разрядами вперед. 
Современный цифровой вольтметр с микропроцессором. Все импульсные и цифровые устройства синхронизируются сигналами генератора тактовых импульсов. 
В цифровых устройствах применяются логические элементы, на основе которых реализуются логические автоматы с памятью и без памяти. Рабочее состояние логических автоматов первого типа зависит не только от набора сигналов управления в данный момент времени, но и от его предшествующего состояния. Рабочее состояние логических автоматов второго типа зависит только от набора сигналов управления.

 

 

 

 

 

2.2 Классификация цифровых устройств

В общем случае на вход цифрового  устройства поступает множество  двоичных переменных X(x₁ … x_n), а с выхода снимается множество двоичных переменных Y(y₁ … y_k),. Устройство при этом осуществляет определенную логическую функцию между входными и выходными переменными.

Цифровые устройства можно разделить  на комбинационные и последовательностные.

В комбинационных – значения Y в  течение каждого такта определяются только значениями X в этом же такте. Такие устройства состоят из логических элементов.

В последовательностных – значения Y определяются значениями X, как в течение рассматриваемого такта, так и существовавшими в ряде предыдущих тактов. Для этого в последовательностных устройствах, кроме логических должны быть еще и запоминающие элементы.

Структура последовательностного и комбинационного устройства приведена на рис. 4.

 
а                                             б

Рис. 4. Структура комбинационного  а и последовательностного б цифровых устройств

Запоминающее устройство может  хранить информацию не бесконечно большого, а только ограниченного числа  тактов, поэтому цифровые устройства с памятью называют конечными  автоматами, к которым относят  все ЭВМ.

Таблицы, показывающие взаимосвязь  между входными и выходными переменными  комбинационных устройств, называют таблицами  истинности. Алгебраическая форма этих связей представляет систему уравнений

y₁ = y₁ (x₁ , x₂ , …, x_n),

y_k = y_k (x₁ , x₂ , …, x_n).

В общем виде в последовательностных устройствах выходные переменные y_i зависят не только от входных сигналов x_m , но и от сигналов элементов памяти, поступающих за этот же такт.

В частности, в автоматах Мили выходные сигналы формируются именно таким  образом, т. е.

y_i ^t+1 = f_i (x₁ , x₂ , …, x_n , z₁ , z₂ , …, z_s)^t+1.

Это выражение называется функцией выхода автомата Мили.

В автоматах Мура выходные сигналы  являются функциями только сигналов элементов памяти в этом же такте, т.е.

y_i ^t+1 = f_i (z₁ , z₂ , …, z_s)^t+1.

Это выражение называется функцией выхода автомата Мура.

Для описания работы последовательностных устройств используются таблицы переходов состояний.

Таблицы истинности соответствуют  только статическим или установившимся режимам работы цифровых устройств. При изменении входных сигналов в комбинационной схеме из-за инерционности  логических элементов в ней начинает протекать переходный процесс. Максимальная длительность переходного процесса определяется максимальным числом последовательно  включенных ЛЭ. Входные сигналы x_m изменяются не мгновенно, а в течение некоторого времени ф_ф , т. е. сигналы имеют фронты конечной длительности. В течение этого времени входные сигналы имеют неопределенное значение. По этой причине, а также из-за задержек сигналов в ЛЭ выходные сигналы комбинационной схемы в течение переходного процесса могут принимать значения не соответствующие описывающим их функциям. Это явление называют переходными состояниями или “гонками”. Появление кратковременных ложных значений выходных сигналов комбинационной схемы может привести к неправильному срабатыванию других схем, подключенных к ее выходам.