Элементы цифровой схемотехники

В полупроводниковых цифровых микросхемах широко ис-
пользуются логические вентили на ТТЛ (TTL) и КМОП
(CMOS) структурах. Внутри сложных микросхем применя-
ются и другие типы ячеек, но они обычно обрамляются внеш-
ними схемами с параметрами ТТЛ- или КМОП-вентилей.
Приведем некоторые свойства этих вентилей, знание кото-
рых полезно для работы с интерфейсами.

Логические микросхемы, применяемые в компьютерах, пи-
таются от постоянного напряжения +5 В, приложенного от-
носительно общего провода - шины GND. В современных
компонентах (процессорах, микросхемах памяти) стремятся
снизить напряжение питания до 3,3 В и ниже.

Существует несколько разновидностей микросхем ТТЛ. Стан-
дартные микросхемы серий 74ххх имеют среднее потребле-
ние и быстродействие 10 нс, их отечественные аналоги - се-
рии К155 и К133. Микросхемы с пониженным потреблением
серии 74Lxxx и их аналоги К134 имеют пониженное быстро-
действие (33 нс). Серии 74Нххх (К131), напротив, имеют по-
вышенную выходную и потребляемую мощность. Микросхемы
с диодами Шотки (ТТЛШ) 74Sxxx (K531) при более высо-
ком, чем у стандартных, энергопотреблении имеют быстро-
действие в три раза выше (3 нс). Серия маломощных микро-
схем ТТЛШ 74LSxxx (K555) при том же быстродействии, что
и у стандартной, потребляет мощность в несколько раз меньше.
Наиболее перспективными являются серии 74Fxxx (KP1531)
с быстродействием 3 нс и 74ALSxxx (KP1533) с быстродей-
ствием 4 нс. При этом потребление у серии ALS (Advanced
Low-Power Schottky) в два раза ниже, чем у серии F (Fast).
Серия ALS хорошо стыкуется с микросхемами КМОП.

В ТТЛ-логике различают входы, выходы (обычные, триста-
бильные и с открытым коллектором) и двунаправленные
выводы.

12 Зак.№530

Вход ТТЛ воспринимает только логический уровень сигна-
ла. Порог переключения -обычно 1,3-1,4. В. Напряжение
ниже порога воспринимается как низкий уровень, выше -
как высокий. Состояние свободного (ни к чему не подклю-
ченного) входа ТТЛ-микросхемой воспринимается как вы-
сокоуровневое, и на нем высокоомным вольтметром или ос-
циллографом можно наблюдать потенциал 1,3-1,4 В. В таком
состоянии вход является чувствительным к помехам, поэто-
му свободные входы рекомендуют соединять с источником
высокого или низкого логического уровня (в зависимости
от логики работы). Если несколько свободных входов раз-
ных вентилей соединяются вместе, их состояние будет нео-
пределенным: из-за разброса порогов часть из них может
восприниматься как высокий уровень, а часть - как низкий.
В качестве источника высокого уровня часто используют
шину питания +5 В, но вход (или группу входов) подклю-
чают к ней через балластный резистор (1-10 кОм). В каче-
стве низкого уровня используют общий провод (шину GND).
Входной ток зависит от потенциала входа: при низком уровне
ток имеет отрицательное значение (вытекающий ток) поряд-
ка 1,5 мА для стандартных микросхем ТТЛ, при высоком
уровне - положительное (втекающий ток) на уровне десят-
ков микроампер. У микросхем серий S, LS и ALS входные
токи существенно меньше. Входное напряжение, превыша-
ющее значение питающего напряжения, для микросхем ТТЛ
недопустимо - оно может пробить входной вентиль. Кроме
вентилей с обычными входами существуют вентили с триг-
герами Шмитта. У них имеется гистерезис переключения
около 0,8 В, симметричный относительно порога (1,3 В). Эти
элементы используются как приемники сигналов с повышен-
ным уровнем помех.

Обычный выход ТТЛ формирует выходные логические уров-
ни: низкий (ниже 0,4-0,5 В) и высокий (выше 2,4 В). Вы-
ходные уровни при повышении нагрузки (выходного тока)
ухудшаются - приближаются к порогу переключения. Вы-
ходной ток короткого замыкания (КЗ) на землю ограничен
несколькими миллиамперами, поэтому КЗ на землю безо-
пасно для выходов элементов ТТЛ. Выходной ток при КЗ
на шину питания, когда вентиль пытается формировать низ-

кий уровень сигнала, достигает десятков миллиампер и опа-
сен для микросхемы. Если два выхода соединить вместе и
они будут пытаться формировать разные уровни, то в этом
конфликте "победит" выход, формирующий низкий логи-
ческий уровень. Этим свойством иногда пользуются при
построении схем, но это не совсем "законно". Существуют
буферные элементы с повышенной нагрузочной способнос-
тью. Они предназначены для подключения большого коли-
чества входов или цепей с большой емкостной нагрузкой. В
PC таким местом является, например, мультиплексирован-
ная шина адреса динамической памяти.

Выход с открытым коллектором (Open Drive Output) рабо-
тает в качестве ключа, способного коммутировать сигнал на
шину GND. Этот тип выхода способен формировать только
низкий логический уровень, а высокий уровень формируют
с помощью внешнего резистора, "подтягивающего" сигнал
к напряжению питания (Puliup Resistor). Выходы с откры-
тым коллектором разрешается объединять, при этом реали-
зуется функция "монтажное И". Существуют элементы с от-
крытым коллектором, имеющие повышенную нагрузочную
способность как по допустимому выходному току ключа, так
и по допустимому напряжению на закрытом ключе. Они мо-
гут использоваться для управления исполнительными уст-
ройствами (например, реле), индикаторами и т. п.

Тристабильный выход (Tristate Output) кроме формирования
низкого и высокого уровней может быть переведен в третье,
высокоимпедансное (High-Z State) состояние, в котором вы-
ходной вентиль отключен от вывода. Этот тип выхода пред-
назначен для объединения нескольких источников сигнала
на одной шине. Как правило, не в третьем состоянии может
находиться не более одного из объединяемых источников. В
противном случае на шине будет конфликт, в котором по-
беждает низкий уровень. Вентили с тристабильньш выхо-
дом имеют управляющий вход, который обычно обозначают
ОЕ (Output Enable).

Двунаправленный вывод элемента представляет собой ком-
бинацию входа и тристабильного выхода (или выхода с от-
крытым коллектором). В зависимости от управляющего сиг-
нала этот вывод работает либо как вход, либо как выход.

Логические элементы КМОП отличаются от ТТЛ большим
размахом сигнала (низкий уровень ближе к нулю, высокий -
к напряжению питания), малыми входными токами (почти
нулевыми в статике, в динамике - обусловленными пара-
зитной емкостью) и малым потреблением, однако их быст-
родействие несколько ниже. В отличие от ТТЛ, микросхемы
КМОП допускают более широкий диапазон питающих на-
пряжений. Микросхемы ТТЛ и КМОП взаимно стыкуются,
хотя вход КМОП требует более высокого уровня логичес-
кой единицы, а выход КМОП из-за невысокого выходного
тока можно нагружать лишь одним ТТЛ-входом. Современ-
ные микросхемы КМОП по параметрам приближаются
к ТТЛ серии ALS и хорошо стыкуются с ними. Микросхе-
мы КМОП имеют те же типы выводов, но вместо выхода
с открытым коллектором у них присутствует выход с откры-
тым стоком (что по логике работы одно и то же).

Длина интерфейсных кабелей ограничивается как уровнем
помех на входе, так и создаваемой емкостной нагрузкой на
выходные вентили, в качестве которых рекомендуется при-
менять элементы с повышенной нагрузочной способностью.
Длина кабелей Centronics ограничена несколькими метрами,
в то время как для интерфейса RS-232C допустимы кабели
длиной в десятки метров (сказывается большая разница уров-
ней и зона нечувствительности).

Логические схемы могут быть чисто комбинационными вен-
тилями (Gate), у которых состояние выходов определяется
только текущим состоянием входов, или элементами с па-
мятью. В схемах последнего типа состояние выхода опреде-
ляется предысторией входных сигналов и внутренних состо-
яний. К ним относятся разнообразные триггеры, регистры,
счетчики и т. п. Элементы могут быть асинхронными и син-
хронными. У последних состояние входов стробируется по-
тенциалом или перепадом на специальном входе синхрони-
зации. Следует особо отметить два типа элементов, широко
применяемых в микропроцессорной технике. Регистром
(Register) называют совокупность нескольких запоминающих
элементов, запись в которые производится по общему
управляющему сигналу. Подразумевается, что в регистре ин-
формация воспринимается по перепаду сигнала синхрони-

зации (на рис. Б.1а запись происходит по положительному
перепаду). Защелкой (Latch), или регистром-защелкой, на-
зывают схему, работающую иначе (рис. Б. 16). Здесь при од-
ном состоянии управляющего входа (высоком) регистр "про-
зрачен" - на выходе отражаются изменения на входах, а при
переходе этого сигнала в другое состояние на выходах фик-
сируется состояние, присутствующее к этому моменту. За-
щелки используются для фиксации адреса на шине микро-
процессора, позволяя схемам дешифраторов адреса раньше
начинать работу, тем самым сокращая затраты времени на
дешифрацию адреса. До срабатывания на выходе защелки
возможен "мусор" от переходных процессов на входе, чего
не бывает в регистрах, синхронизируемых по перепаду.

Для того чтобы любая синхронизируемая схема зафиксировала
желаемое состояние, сигналы на входах должны установиться
до синхронизирующего перепада за некоторое время, называ-
емое временем установки TSETUP, и удерживаться после него в
течение времени удержания THOLD. Значение этих парамет-
ров определяется типом и быстродействием синхронизируе-
мой схемы, и в пределе один из них может быть нулевым.

Рис. Б.1. Диаграмма работы регистров:

а - регистр, б - регистр-защелка

Наконец, рассмотрим типовое подключение некоторой функ-
циональной микросхемы (например, 18255 - КР580ВВ55) к
шине ISA, которое хорошо иллюстрирует принципы сопря-
жения устройств микропроцессорной техники (рис. Б.2). Для
сопряжения с микропроцессором имеется шина данных (Data
Bus), шина адреса (Address Bus) и шина управления (Control
Bus). Первые две из них могут использовать одни и те же
физические линии, такое решение называется мультиплек-

сированием шины адреса и данных. Тогда в шине управле-
ния будет присутствовать сигнал, определяющий назначе-
ние шины в данный момент времени. В нашем примере шины
адреса и данных разделены.

Рис. Б.2. Подключение устройства к шине ISA

Подключаемое устройство обычно имеет свой буфер дан-
ных - двунаправленный приемопередатчик, в качестве ко-
торого применяется микросхема 74ALS245 (1533АП6). Бу-
фер должен открываться сигналом ОЕ# (Output Enable -
разрешение выхода), когда на шине адреса присутствует ад-
рес, относящийся к диапазону подключаемого устройства.
"Дежурным" направлением передачи является "от шины -
к устройству"; переключение в обратную сторону произво-
дится по сигналу IORD# шины управления. Таким образом,
буфер имеет право передавать данные на шину (управлять
шиной данных) только во время действия сигнала чтения,
относящегося к зоне адресов данного устройства. Если бы
подключаемое устройство было приписано к пространству
памяти, в логике управления направлением присутствовал
бы сигнал MEMRD#.

Дешифратор адреса предназначен для выявления зоны ад-
ресов, относящейся к подключаемому устройству. Если уст-
ройству требуется более одного адреса, младшие линии ад-
реса (в данном примере - АО и А1) используются для
декодирования адреса внутри устройства. Остальные линии
поступают на вход комбинационной схемы (или програм-
мируемой логической матрицы), которая формирует сигнал

обращения к устройству, называемый CS# (Chip Select). На
шинах ISA срабатывание дешифратора адреса должно бло-
кироваться высоким уровнем сигнала AEN, сигнализирую-
щим о недействительности адреса для порта ввода/вывода
в цикле DMA.

Шина управления представлена сигналами IORD# (чтение
порта), lOWRft (запись в порт) и AEN. Их состав может быть
расширен сигналами обращения к памяти MEMRDft
и MEMWR#, а также сигналами запросов прерываний,
управления каналами прямого доступа и др. Приведенные
четыре сигнала обращения к портам и памяти, используе-
мые в шине ISA, характерны для микропроцессорных на-
боров и периферийных схем 18080. Есть другой набор сиг-
налов - в стиле i8085: сигнал М/10# определяет, к чему
относится обращение - к памяти (М) или вводу/выводу
(10), сигнал W/R# определяет тип операции - запись (W)
или чтение (R), а сама операция осуществляется по неко-
торому синхронизирующему сигналу. Такой способ приме-
няется в шинах EISA и PCI.

В микропроцессорной технике применяются прямые и ин-
версные логические сигналы. В случае прямых сигналов ло-
гическому нулю соответствует низкий уровень сигнала, ло-
гической единице - высокий. В случае инверсных сигналов
все наоборот. Инверсию сигналов обозначают разными спо-
собами: перед названием сигнала ставят знак "минус", над
именем проводят черту, после имени ставят обратную ко-
сую черту или решетку. В данной книге используется по-
следний способ. Управляющие сигналы обычно инверсные.
Это так называемые 1(1ог^)-активные сигналы, у которых
активный уровень сигнала - низкий. Это нужно, чтобы:

^ повысить помехозащищенность, которая у ТТЛ несим-
метричная. Входные токи стремятся подтянуть уровень
к высокому, и в случае прямых 7^(Дг^)-активных сигна-
лов это действует согласно с помехой, чреватой ложны-
ми срабатываниями. При L-активных сигналах входной
ток противодействует помехе. Особенно важно исполь-
зовать L-активность для сигналов, передаваемых по ка-
белям.

^ обеспечить возможность нескольким источникам управ-
лять одной и той же линией. L-активная линия "подтя-
гивается" к высокому уровню резистором, а активный
сигнал может вводить любой подключенный к ней вен-
тиль с открытым коллектором (можно с тристабильным
выходом).

В IBM PC принцип L-активности управляющих сигналов
интерфейса был нарушен дважды: Н-активность имеют сиг-
налы запросов аппаратных прерываний IRQx и каналов пря-
мого доступа DRQx. Это привело к невозможности совмест-
ного использования линий прерываний и каналов DMA.

Обозначение и порядок бит и байт шин адреса/данных при-
шло от процессоров Intel 8086/88. В шине данных DO обо-
значает самый младший бит LSB (Least Significant Bit), а D7 -
старший бит байта - MSB (Most Significant Bit). Иногда в опи-
сании интерфейсов биты данных обозначаются как D1...D8,
при этом младший бит - D1. На рисунках принято старший
бит изображать слева, а младший - справа. Обозначение
D[7:0] относится к группе сигналов D7, D6,..., D1, DO, a D[0:7] -
к тем же сигналам, но в порядке естественной нумерации.
В двухбайтном слове, размещаемом в памяти, принят
LH-порядок следования: адрес слова указывает на младший
байт L (Low), а старший байт Н (High) размещается по адре-
су, на единицу большему. В двойном слове порядок будет
аналогичным - адрес укажет на самый младший байт, после
которого будут размещены следующие по старшинству. Этот
порядок естествен для процессоров Intel.

В цифровой схемотехнике есть множество тем для обсужде-
ния, остановимся на том, что уже изложено.

Приложение В. Конструктивные
элементы интерфейсов

Определим некоторые термины, относящиеся к аппаратным
средствам современных компьютеров.

Системной (System Board), или материнской, платой (Mother
Board) называют основную печатную плату, на которую
устанавливают процессор, оперативную память, ROM BIOS
и другие системные компоненты.

Платой или картой расширения (Expansion Card) называют
печатную плату с краевым разъемом, устанавливаемую
в слот расширения. Карты расширения, обеспечивающие ка-
кой-либо дополнительный интерфейс, называют интерфейс-
ными картами (Interface Card). Их также называют адапте-
рами (Adapter). К примеру, дисплейный адаптер (Display
adapter) служит для подключения монитора.

Слот (Slot) представляет собой щелевой разъем, в который
устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расшире-
ния (Expansion Slot) в PC представляет собой разъем сис-
темной шины в совокупности с прорезью в задней стенке
корпуса компьютера - то есть посадочное место для уста-
новки карты расширения. Слоты расширения имеют разъе-
мы шин ISA/EISA, PCI, AGP, MCA, VLB или PC Card
(PCMCIA). Внутренние слоты используются для установки
модулей оперативной памяти (DIMM), кэш-памяти
(COAST), процессоров Pentium II и т. д.

Сокет (Socket) - гнездо, в которое устанавливаются микро-
схемы. Его контакты рассчитаны на микросхемы со штырь-
ковыми выводами в корпусах DIP и PGA во всех модифи-
кациях или же микросхемы в корпусах SOJ и PLCC
с выводами в форме буквы "J". ZIF-Socket (Zero Insertion
Force - с нулевым усилием вставки) предназначен для лег-
кой установки при высокой надежности контактов. Эти гнез-
да имеют замок, открыв который можно установить или

изъять микросхему без приложения усилия к ее выводам.
После установки замок закрывают, при этом контакты соке-
та плотно обхватывают выводы микросхемы.

Джампер (Jumper) - съемная перемычка, устанавливаемая
на торчащие из печатной платы штырьковые контакты
(рис. B.la). Джамперы используются для конфигурирования
различных компонентов, которые не требуют оперативного
управления. Джамперы переставляют с помощью пинцета
при выключенном питании.

Рис. В. 1. Аппаратные средства конфигурирования:

а - джампер, б - DIP-переключатель

DIP-переключатели (DIP Switch) - малогабаритные выключа-
тели в корпусе DIP (рис. В. 16), применяемые для тех же целей,
что и джамперы. Более легки в переключении. Недостатками
являются большее занимаемое на плате место и более высокая
цена. Обычно являются только выключателями, что делает
их применение менее гибким по сравнению с джамперами.

Платы (карты), в которых нет джамперов, называют
Jumperless Cards. Компоненты, которые после установки кон-
фигурируются автоматически, относят к классу РпР (Plug
and Play - вставляй и играй).

Чип (СЫр) - полупроводниковая микросхема. Чипсет (СЫр
Set) - набор специализированных интегральных схем, при
подключении которых друг к другу формируется функцио-
нальный блок вычислительной системы. Чипсеты применя-
ются в системных платах, графических контроллерах и дру-
гих устройствах, функции которых нельзя реализовать
в одной микросхеме.

Для соединения устройств и узлов PC применяют различ-
ные разъемы, они же коннекторы (Connector). Среди них
чаще всего встречаются следующие:

Разъемы D-muna (рис. В.2) используются для подключе-
ния внешних устройств - мониторов, принтеров, моде-
мов и т. д. Розетки (Female, "мамы") обозначаются как
DB-xxS, где хх - количество контактов. Вилки (Male,
"папы") обозначаются как DB-xxP. Ключом является
D-образный кожух. Назначение разъемов, выходящих на
заднюю стенку PC, стандартизовано (табл. В.1).

Разъемы IDC (Insulation-Displacement Connector - разъем,
смещающий изоляцию) получили свое название из-за спо-
соба присоединения кабеля. Контакты разъема со сторо-
ны, обращенной к кабелю, имеют ножи, подрезающие и
смещающие изоляцию проводников кабеля. Разъемы пред-
назначены для ленточных кабелей шлейфов, хотя возмож-

на заделка в них и одиночных проводников. Для заделки
кабелей в эти разъемы существуют специальные инстру-
менты - прессы. Разъемы IDC существуют для краевых
печатных разъемов (рис. В.За) и штырьковых контактов
(рис. В.36). Разъемы могут иметь ключи: для печатных
разъемов это прорезь и соответствующая ей перемычка,
расположенная ближе к первым контактам. Для штырь-
ковых разъемов ключом является выступ на корпусе, но
этот ключ сработает, только если ответная часть имеет пласт-
массовый бандаж с прорезью. Ключом может являться от-
сутствующий штырек - на разъеме для него не оставляют
отверстия (такой ключ рекомендуется стандартом АТА).
На ленточном кабеле крайний провод, соединяемый с кон-
тактом "I", маркируют цветной краской. На печатной пла-
те штырек "I" обычно имеет отличающуюся от других
(квадратную) форму контактной площадки. Разъемы IDC
и ленточные кабели-шлейфы применяют для подключе-
ния внешних разъемов к системной плате и картам рас-
ширения и для подключения накопителей.

Рис. В.3. Разъемы IDC:

а - краевые, б - штырьковые, в - заделка проводов

Разъемы типа Centronics (рис. В.4) применяют на прин-
терах и внешних устройствах SCSI.

В интерфейсах применяют кабели различных типов - экра-
нированные, неэкранированные, с витыми парами проводов,
плоские кабели-шлейфы и т. п. С точки зрения частотных
параметров и помехозащищенности лучшим способом явля-
ется передача каждого сигнала в дифференциальном виде
по отдельной витой паре проводов, но это дорого. Неплохой
результат дает линейная (обычная) передача сигнала, но так,
чтобы сигнальный провод был перевит с собственным об-
ратным проводом, соединенным с шиной GND на обоих кон-
цах интерфейса. Чуть хуже, но дешевле использование плос-
кого кабеля-шлейфа, в котором сигнальные проводники
чередуются с "землей" или используются дифференциаль-
ные пары. Как правило, чем длиннее соединительный ка-
бель, тем ниже его пропускная способность. Поэтому, если
с длинным кабелем возникают проблемы, надо либо менять
кабель на более качественный и/или короткий, либо сни-
жать физическую скорость обмена. В маркировке проводов
кабелей часто фигурирует обозначение вида 24 AWG. Оно
определяет сечение проводника согласно стандарту AWG
(American Wire Gauge), как показано в табл. В.2.