Podstawy działania układów cyfrowych ..............................................................................................2
Systemy liczbowe.............................................................................................................................2
Kodowanie informacji......................................................................................................................3
Informacja cyfrowa ..........................................................................................................................4
Bramki logiczne ...............................................................................................................................4
Podział układów logicznych.............................................................................................................6
Cyfrowe układy funkcjonalne ..............................................................................................................8
Rejestry.............................................................................................................................................8
Zasada działania magistrali ..............................................................................................................9
Jednostka arytmetyczno  logiczna..................................................................................................9
Budowa i działanie mikroprocesora...................................................................................................10
Podstawy działania układów cyfrowych
Działanie układów cyfrowych oparte jest na wykorzystywaniu dwóch stanów elektrycznych tych
układów, zwanych stanem niskim (ang. Low  L) i stanem wysokim (ang. High  H). Za pomocą
tych stanów reprezentujemy informacje w układach cyfrowych. W tym celu stosuje się dwójkowy
(binarny) system liczbowy.
Systemy liczbowe
System dziesiętny
Zestaw cyfr dziesiętnych: {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}
n-1
(an-1........a0)D = an-1 "10n-1 + an -2 "10n-2 + ...... + a0 "100 = "10i
"ai
i =0
(425)D = 4 "102 + 2 "101 + 5"100
System dwójkowy
Zestaw cyfr dwójkowych: {0,1}
n-1
(an-1........a0 )B = an-1 " 2n-1 + an-2 " 2n-2 + ...... + a0 " 20 = " 2i
"ai
i=0
(10100)B = 1"24 + 0"23 +1"22 + 0"21 + 0 "20
System heksadecymalny
Zestaw cyfr heksadecymalnych: {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}
n-1
(an-1........a0)H = an-1 "16n-1 + an-2 "16n-2 + ...... + a0 "160 = "16i
"ai
i =0
(FF)B = F "161 + F "160
Zadania:
Dokonać konwersji liczby 23d na liczbę binarną.
Znalez
ć liczbę dziesiętną odpowiadającą liczbie heksadecymalnej 4C2h.
Zapisać liczbę binarną 1001011010b w postaci liczby heksadecymalnej.
Zapisać liczbę heksadecymalną 7CD5h w postaci binarnej.
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 2 -
Kodowanie informacji
Kod liczbowy
Definicja
Kodem liczbowym nazywamy taki kod, który liczbom dowolnego systemu będzie przyporządko-
wywał słowa kodowe w postaci zerojedynkowej.
Naturalny kod binarny (NKB)
Definicja
Kodem liczbowym nazywamy taki kod, który ka\
dej liczbie dziesiętnej będzie przyporządko-
wywał odpowiadającą jej liczbę binarną.
Liczba kodowana Kod NKB
0 0000
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
9 1001
Kod prosty BCD (ang. Binary Coded Decimal)
Ka\
dej cyfrze dziesiętnej przyporządkowujemy czterocyfrową liczbę dwójkową (zwaną tetradą) w
kodzie NKB.
Ka\
dej cyfrze liczby dziesiętnej przyporządkowujemy jedną tetradę wykorzystując kod NKB
Przykład:
(463)D = ( 0100 0110 0011 )BCD
Zadanie:
Znalez
ć słowa kodu BCD odpowiadające liczbom 67d i 256d
Kod ASCII (ang. American Standard Code for Information Interchange)
Jest to kod słu\
ący do kodowania i przesyłania tekstów pomiędzy urządzeniami cyfrowymi. Koduje
on oprócz znaków alfanumerycznych tak zwane znaki sterujące, słu\
ące do sterowania transmisją i
pracą drukarki lub dalekopisu.
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 3 -
Informacja cyfrowa
Definicja
Słowem cyfrowym (binarnym) nazywamy dowolny ciąg składający się z symboli 0 i 1.
Definicja
Informacją cyfrową nazywamy informację przedstawioną (zakodowaną) w postaci słów cyfrowych.
Nazwy słów cyfrowych
Długość słowa Oznaczenie symboliczne Nazwa angielska Nazwa polska
1 a0 bit bit
4 a3..a0 nibble tetrada
8 a7.....a0 byte bajt
16 a15........a0 16-bit word, word słowo 16-bitowe, słowo
32 a31....................a0 double word, dword podwójne słowo
64 a63...........................................a0 quad word, qword czterosłowo
Uwaga: w celu uniknięcia niejednoznaczności przy podawaniu ilości informacji ustalamy, \
e
skrótowe oznaczenie:
1b  oznacza 1 bit, a 1B  oznacza 1 bajt.
Na przykład 20 MB jest ilością informacji ośmiokrotnie większą ni\
20 Mb.
W słowach informacji cyfrowej warto te\
wyró\
nić tzw. Najstarszą i najmłodszą pozycję. Nazywa
się je odpowiednio najbardziej znaczącym bitem (ang. MSB  most significant bit) oraz najmniej
znaczącym bitem (ang. LSB  least significant bit).
a ......... a
n - 1 0
MSB ...... LSB
Bramki logiczne
Definicja
Zmienną logiczną nazywamy zmienną, która mo\
e przyjmować jedną z dwóch wartości logicznych:
prawdę lub fałsz.
Logika prosta
Stan elektryczny Wartość logiczna Cyfra binarna
H  high True 1
L  low False 0
Logika odwrócona
Stan elektryczny Wartość logiczna Cyfra binarna
H  high Fale 0
L  low True 1
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 4 -
Bramka NOT
Symbol bramki NOT
1
x y
x y
0 1
1 0
Bramka AND
Symbol bramki AND
x1
y
&
x2
x1 x2 y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Bramka OR
Symbol bramki OR
x1
y
1
x2
x1 x2 y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 5 -
Podział układów logicznych
Układy logiczne dzielimy na:
- układy kombinacyjne,
- układy sekwencyjne,
- układy asynchroniczne,
- układy synchroniczne.
Definicja
Układem kombinacyjnym nazywamy taki układ cyfrowy, w którym stan wejść jednoznacznie
określa stan wyjść układu.
Definicja
Układem sekwencyjnym nazywamy taki układ cyfrowy, w którym stan wyjść zale\
y od stanu wejść
oraz od poprzednich stanów układu.
Definicja
Układem asynchronicznym nazywamy taki układ cyfrowy, dla którego w dowolnym momencie
jego działania stan wejść oddziaływuje na stan wyjść.
Definicja
Układem synchronicznym nazywamy taki układ cyfrowy, dla którego stan wejść wpływa na stan
wyjść jedynie w określonych odcinkach czasu pracy układu zwanych czasem czynnym, natomiast w
pozostałych odcinkach czasu zwanych czasem martwym stan wejść nie wpływa na stan wyjść.
Odcinki czasu czynnego i martwego wyznaczane są przez podanie specjalnego sygnału zegarowego
zwanego tak\
e taktującym.
Sygnał taktujący
zbocze opadające
Poziom niski
zbocze narastające
Poziom wysoki
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 6 -
Oznaczenia wejść zegarowych układów cyfrowych
Rodzaj wejścia zegarowego Symbol graficzny
Układ reaguje na poziom wysoki
Układ reaguje na poziom niski
Układ reaguje na zbocze narastające
Układ reaguje na zbocze opadające
Asynchroniczny przerzutnik RS
Definicja
Przerzutnikiem nazywamy układ cyfrowy pozwalający zapamiętać jeden bit informacji.
Symbol przerzutnika RS
S Q
R Q
Tabela działania przerzutnika RS
R S Qn+1
0 0 Qn
0 1 1
1 0 0
1 1 -
Synchroniczny przerzutnik D typu  latch
Symbol przerzutnika D
D Q
CLK Q
Tabela działania przerzutnika RS
D Qn+1
0 0
1 1
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 7 -
Cyfrowe układy funkcjonalne
Rejestry
Definicja
Rejestrem nazywamy układ cyfrowy przeznaczony do krótkoterminowego przechowywania
niewielkich ilości informacji lub do zamiany postaci informacji z równoległej na szeregową lub
odwrotnie.
Definicja
Wejściem cyfrowym równoległym nazywamy takie wejście, które umo\
liwia wprowadzenie do
układu cyfrowego wszystkich bitów słowa w jednym takcie zegarowym.
Definicja
Wejściem cyfrowym szeregowym nazywamy takie wejście, które umo\
liwia wprowadzenie do
układu cyfrowego bit po bicie. Ka\
dy bit jest wprowadzany w jednym takcie zegarowym.
Uwaga: N-bitowe wejście równoległe jest n razy szybsze od wejścia szeregowego.
Rejestry dzielimy na następujące grupy:
- PIPO (ang. parallel input, parallel output)  rejestry z wejściem i wyjściem równoległym 
rejestry buforowe typu  zatrzask ,
- SISO (ang. serial input, serial output)  rejestry z wejściem i wyjściem szeregowym  rejestry
przesuwające,
- SIPO (ang. serial input, parallel output)  rejestry z wejściem szeregowym i wyjściem
równoległym  stosowane w układach USART lub UART,
- PISO (ang. parallel input, serial output)  rejestry z wejściem równoległym i wyjściem
szeregowym  stosowane w układach USART (ang. universal synchronous/asynchronous
receiver/transmiter) lub UART.
Bramka trójstanowa
ENABLE
WE WY
WE ENABLE WY
0 1 0
1 1 1
X 0 Z
X  stan dowolny, Z  stan wysokiej impedancji
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 8 -
Zasada działania magistrali
W systemach mikroprocesorowych istnieje konieczność zapewnienia komunikacji pomiędzy
wieloma układami. Przykładami tych układów są: mikroprocesor, pamięć RAM, ROM i układy
wejścia/wyjścia. Połączenie wielu układów metodą  ka\
dy z ka\
dym doprowadziłoby do
nadmiernego skomplikowania architektury komputera i jest praktycznie nierealne. Dlatego stosuje
się sposób połączenia tych układów przy pomocy tak zwanej magistrali.
Definicja
Magistralą nazywamy zestaw linii oraz układów przełączających, łączących dwa lub więcej
układów mogących być nadajnikami lub odbiornikami informacji.
NADAJNIK
Jednostka arytmetyczno  logiczna
Definicja
Jednostką arytmetyczno-logiczną (ALU, ang. Arithmetic-Logic Unit) nazywamy uniwersalny układ
cyfrowy przeznaczony do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych.
n
W ynik
Argument A n
A LU
n
Argument B
S ygnały sterujące
n  ilość bitów E U
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 9 -
MAGISTRALA
UKA
AD
ODBIORNIK
OD MAGISTRALI
ODSEPAROWANY
Budowa i działanie mikroprocesora
Budowę prostego mikroprocesora przedstawiono na poni\
szym rysunku.
Rejestry części wykonawczej
A F
B C
Dane Wyniki
ALU
D E
H L
EU
Wewnętrzne sygnały
sterujące
Zewnętrzne sygnały
sterujące
Układ
Program
IR Dek
sterowania
CU
Oznaczenia:
ALU  jednostka arytmetyczno-logiczna EU  jednostka wykonawcza
IR  rejestr rozkazów Dek  dekoder rozkazów
CU  jednostka sterująca
Zadaniem jednostki wykonawczej EU ( ang. execution unit) jest przetwarzanie informacji, czyli
wykonywanie wszelkich operacji arytmetycznych i logicznych. Rodzaj wykonywanych operacji
zale\
y od wewnętrznych sygnałów sterujących wytwarzanych przez jednostkę sterującą CU (ang.
control unit). W skład jednostki wykonawczej wchodzi jednostka arytmetyczno-logiczna oraz
zestaw współpracujących z nią rejestrów. Informacją wejściową części wykonawczej są dane, zaś
wyjściową wyniki.
W skład jednostki sterującej CU wchodzą: rejestr rozkazów IR (ang. instruction register), dekoder
rozkazów i układ sterowania. W rejestrze rozkazów przechowywany jest kod aktualnie
wykonywanego rozkazu (instrukcji). Kody rozkazów pobierane są do rejestru rozkazów z pamięci.
Ciąg rozkazów tworzy program wykonywany przez system.
Po pobraniu z pamięci kod rozkazu jest dekodowany w dekoderze rozkazów. Zostaje rozpoznany
rodzaj rozkazu i na jego podstawie układ sterowania wytwarza odpowiednie sygnały sterujące.
_____________________________
UTK. Podstawy układów cyfrowych - 10 -