Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. Под редакцией Преснухина Л.Н.. Издание второе, переработанное и дополненное. Учебное пособие. Москва Высшая школа 1991г. 526с.

Рассмотрены практические вопросы проектирования микропроцессорных устройств (МПУ) и систем на их основе. Приведены методы и схемы разделения и расширения адресного пространства, примеры построения последовательных каналов связи, даны практические рекомендации по обеспечению помехозащищенности устройств. Рассмотрено свыше двухсот оригинальных структурных и схемных решений. В отличие от первого издания (1986 г.) повышена информативность, описаны новые технические решения. Для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, производства и эксплуатации средств вычислительной техники.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный этап развития полупроводниковой электроники характеризуется созданием широкой номенклатуры и массовым выпуском интегральных микросхем, запоминающих устройств, микропроцессорных комплектов, однокристальных ЭВМ, Препроцессоров. Стремительно развивается рынок заказных больших интегральных схем (БИС) на базе матричных кристаллов, программируемых логических матриц. -Растет номенклатура специализированных БИС интерфейсов локальных вычислительных сетей.

Увеличение степени интеграции интегральных схем (ИС) до сотен тысяч логических вентилей, что эквивалентно нескольким миллионам транзисторов на одном кристалле, предопределяет новые подходы к проектированию заказных БИС, как правило, из библиотек логических и запоминающих элементов, узлов и даже устройств с использованием современных технологий систем автоматизации инженерного труда.

Но актуальность изучения студентами принципов работы «элементарных строительных кирпичиков» аппаратурных "средств вычислительной техники не снижается. Во-первых, из-за необходимости ясного понимания функциональных характеристик, интерфейсных и запоминающих элементов, их внешних параметров. Во-вторых, по мере повышения быстродействия, когда тактовая частота составляет десятки и в перспективе сотни мегагерц, обеспечение помехоустойчивости цифровых устройств существенно определяется «аналоговыми» процессами в сигнальных линиях связи. По этим причинам настоящее учебное пособие не утратило в целом своей актуальности.

В учебном пособии систематически излагаются обобщенные материалы передовых достижений в . схемотехнике логических и запоминающих элементов. Часть пособия использует результаты, полученные авторами в результате проведения научной работы. Например, анализ и синтез древовидных схем на переключателях тока, анализ работы двунаправленного КМОП-ключа, юценка частоты и длительности импульсов ряда схем генераторов и одно-вибраторов.

В настоящем, втором, исправленном и доработанном издании Учебного пособия исключены из рассмотрения ряд логических элементов (ДТЛ-типа, синхронные ТТЛ-типа), а также раздел, посвященный вопросам автоматизации проектирования логических элементов. Принятое нами решение представляется оправданным, поскольку вопросы автоматизированного проектирования элементов ЭВМ, "как правило, читаются студентам в рамках специальных курсов. Более того, удовлетворительное изложение этого материала практически невозможно в рамках одной-двух глав учебного пособия. Следует отметить, что в издательстве «Высшая школа» в 1986 г. издано ставшее популярным учебное пособие по курсу САПР «Системы автоматизированного проектирования» в 9 книгах под редакцией И. П. Норенкова.

Учитывая тенденции развития схемотехники цифровых устройств, во втором издании введены разделы, посвященные логическим элементам БИС, схемотехнике заказных БИС на базе универсальных вентильных матриц, программируемых логических матриц.

С большой практической направленностью изложен материал; посвященный вопросам помех и обеспечению помехозащищенности.

Поскольку запоминающие устройства на гибких и жестких магнитных дисках составляют основу архивных запоминающих устройств (ЗУ) ЭВМ, в частности персональных ЭВМ, и в ближайшей перспективе ожидается массовое применение внешних ЗУ на оптических дисках, дополнительно рассмотрен принцип работы таких ЗУ.

Вновь написан раздел, посвященный вопросам унификации внутрисистемных, внешних интерфейсов и интерфейсов локальных сетей. На примере ряда отечественных БИС интерфейсов рассмотрены архитектурные и схемотехнические особенности интерфейсных ИС.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Цифровые устройства, предназначенные для обработки и хранения информации, обладают высокими потребительскими характеристиками, если на всех этапах проектирования, производства, контроля и эксплуатации работы выполняются квалифицированно, с соблюдением требований технологий, стандартов и т. п.

Увеличение объема выпуска ЭВМ различных классов, систем автоматизации проектирования, автоматизированных рабочих мест, систем автоматизации регистрации и обработки данных требует хорошо подготовленных специалистов как по математическому и программному обеспечению, так и по разработке аппаратной части всех средств, использующих вычислительную технику.

Учебное пособие призвано обеспечить подготовку студентов по затронутым вопросам. Этому будет способствовать, в частности, большое число примеров, каждый из которых имеет прикладной характер.

В данном учебном пособии основное внимание уделено рассмотрению параметров и характеристик дискретных компонентов й интегральных схем малой и средней степени интеграции, расчетов для статических и динамических режимов .электронных схем, выполненных на дискретных компонентах и интегральных схемах, схемотехнике базовых элементов современных ИС и специальных элементов цифровых устройств, схемотехнике триггерных элементов и элементов запоминающих устройств, -логических элементов БИС и программируемых логических схем, проектирования заказных БИС на базе универсальной вентильной матрицы, элементов интерфейсов, помех в цифровых устройствах и мер по их уменьшению.

Предполагается, что читатель знаком с основами электротехники, радиоэлектроники, импульсной техники, булевой алгебры, конструирования, так как именно на этом базируется изложение материала. Учитывая важность схемотехнических расчетов, авторы хотели бы подчеркнуть, что под расчетом надо понимать выполнение, как минимум, следующих этапов: анализ схемы, получение аналитических соотношений для анализируемой схемы, выполнение численных расчетов.

Анализ статического режима работы схемы проводится для характерных точек, выделяемых на статических характеристиках. Этими точками могут быть уровни 10 или 90% от логического Перепада, пороговые напряжения, точки с единичным коэффици-ентом передачи, точки, соответствующие смене режимов работы активных приборов (например, режим отсечки, насыщения и т. п.), и т. д.

Анализ динамического режима работы схемы проводится для простых схем, содержащих около десяти компонентов, методом приведения к доминирующей постоянной времени. Достоинством последнего метода, например при анализе переходных процессов, является разбиение переходного процесса на ряд этапов, для каждого из которых может быть представлена простая электрическая модель с одной постоянной времени

И тот и другой метод может быть использован для расчета несложных схем, а также для получения оценочных параметров, необходимых при выполнении машинных расчетов.

В целом содержание учебного пособия может быть полезным и для студентов, и для специалистов, занимающихся разработкой реальной промышленной аппаратуры.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 

Введение 

Глава 1. Общие характеристики элементов цифровых устройств 

§ 1.1. Классификация элементов 

§ 1.2. Статические и динамические характеристики и параметры элементов 

Контрольные вопросы 

Глава 2. Компоненты элементов цифровых устройств

§ 2.1. Статические параметры биполярного транзистора

§ 2.2. Использование статических параметров и характеристик биполярного транзистора при анализе статических характеристик транзисторного ключа 

§ 2.3. Динамические параметры биполярного транзистора

§ 2.4. Использование динамических параметров транзистора при анализе переходных процессов в транзисторном ключе

§ 2.5. Транзистор полевой 

§ 2.6. Диоды

§ 2.7. Резисторы 

§ 2.8. Конденсаторы

§ 2.9. Математические модели компонентов 

Контрольные вопросы 

Глава 3. Логические элементы цифровых устройств

§ 3.1. Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ) 

§ 3.2. Транзисторные логические элементы на переключателях тока 

§ 3.3. Древовидные схемы на переключателях тока 

§ 3.4. Логические схемы на униполярных транзисторах 

§ 3.5. Сравнительный анализ логических элементов 

Контрольные вопросы 

Глава 4. Специальные элементы цифровых устройств

§ 4.1. Логические расширители 

§ 4.2. Преобразователи уровней 

§ 4.3. Генераторы и одновибраторы

§ 4.4. Разностные преобразователи и детекторы событий (фронтов) Контрольные вопросы

Глава 5. Триггерные элементы цифровых устройств

§ 5.1. Общие характеристики

§ 5.2. Асинхронный RS-триггер и его разновидности

§ 5.3. Канонический метод синтеза триггерных устройств

§ 5.4. Одновходовые асинхронные триггеры

§ 5.5. Синхронные триггеры

§ 5.6. Примеры использования триггеров

Контрольные вопросы 

Глава 6. Элементы интегральных запоминающих устройств

§ 6.1. Классификация запоминающих устройств

§ 6.2. Элементы полупроводниковых запомииаиющих устройств с произвольной выборкой

§ 6.3. Элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств

§ 6.4. Элементы плупроводниковых перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств

§ 6.5. Элементы запоминающих устройств иа полупроводниковых приборах с поверхностным переносом зарядов

§ 6.6. Запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах 

§ 6.7. Запоминающие устройства иа гибких и жестких магнитных дисках

§ 6.8. Запоминающие устройства иа оптических дисках......332

Контрольные вопросы

Глава 7. Логические элементы БИС и программируемые логические схемы

§ 7.1. Базовые вентили БИС первого поколения

§ 7.2. Интегральные инжекционные логические элементы (И2Л) 

§ 7.3. Базовые вентили современных БИС

§ 7.4. Программируемые логические устройства

Контрольные вопросы 

Глава 8. Проектирование заказных БИС на базе универсальной вентильной матрицы 

§ 8.1. Особенности организации кристалла универсальной вентильной матрицы

§ 8.2. Методика проектирования заказных БИС на базе УВМ типа К1801ВП1

Контрольные вопросы 

Глава 9. Элементы интерфейсов 

§ 9.1. Понятие интерфейса. Классификация интерфейсов

§ 9.2. Мультиплексный информационный канал

§ 9.3. Интерфейсные БИС для радиального подключения устройств с последовательной передачей информации

§ 9.4. Интерфейсные БИС для мультиплексного информационного канала 

Контрольные вопросы

Глава 10. Помехи в устройствах ЭВМ и меры по их уменьшению 

§ 10.1. Классификация помех в устройствах ЭВМ

§ 10.2. Помехи в электрически коротких линиях связи

§ 10.3. Помехи в электрически длинных линиях связи

§ 10.4. Помехи в цепях питания и меры по их уменьшению

§ 10.5. Экранирование сигнальных проводников

§ 10.6. Рекомендации по обеспечению помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники

Контрольные вопросы

Заключение

Литература

Предметный указатель