Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Otrzymujemy od naszych
Czytelników sporo listów z prośbami
P i e r w s z e k r o k i
P i e r w s z e k r o k i
P i e r w s z e k r o k i
P i e r w s z e k r o k i
o artykuły wprowadzające do P i e r w s z e k r o k i
techniki cyfrowej. Piszą do nas
zarówno młodzi, którzy dopiero
zaczynają swą życiową przygodę
z elektroniką, jak i weterani, którzy w cyfrówce
albo jeszcze nie spróbowali swych
sił w  cyfrówce , albo zostali nieco
w tyle za rozwojem tej dziedziny.
Czy nie boisz się, drogi Czytelniku, no- Wiesz przecież, co to jest alfabet
Rzeczywiście, czas najwyższy
woczesnych układów cyfrowych? Czy Morse a: za pomocą kresek i kropek
nie peszą Cię trochę określenia w rodza- można przesłać dowolną informację tek-
zacząć na łamach Elektroniki dla
ju:  GAL20V8 ,  74125 w wersji ACT , stową.
Wszystkich systematyczny cykl
albo  latch  573 LVC w wersji SMD ? Z czasem pomysłowy pan Bell wyna-
artykułów na temat techniki
Z listów, które przychodzą do redakcji lazł telefon. Rozwój telegrafu i telefonu
cyfrowej. Zaczniemy od podstaw,
wiem dobrze, iż wielu naszych Czytelni- wiązał się z powstawaniem central -
ków bardzo chciałoby poznać piękną miejsc, gdzie następowało łączenie po-
a skończymy... cóż, właściwie nie
dziedzinę cyfrowych układów scalonych. szczególnych abonentów i torów trans-
sposób tego przewidzieć, bo
Inni trochę się zgubili, przestali nadążać misyjnych. Najpierw były to centrale
w szeroko pojętej dziedzinie
za rozwojem układów cyfrowych i czują ręczne obsługiwane przez miłe i młode
układów cyfrowych wciąż dzieje się
się trochę nieswojo w dżungli nowych telefonistki, póz
niej jakiś niepoprawny
określeń i pojęć. smutas wykombinował, że opłaci się za-
coś nowego, coś interesującego.
Co prawda istnieje sporo literatury na stąpić te miłe i ładne panienki jakimiś
Zaczynamy więc kurs, a może raczej
ten temat, wiele szkolnych podręczni- bezdusznymi urządzeniami, które auto-
korepetycje z techniki cyfrowej.
ków obszernie omawia technikę cyfro- matycznie będą łączyć rozmowy, w takt
Przedstawiony materiał pozwoli
wą, jednak trzeba ze smutkiem stwier- impulsów powstających w tarczy apara-
dzić, że większość dostępnych z
ródeł tu telefonicznego.
nadrobić ewentualne zaległości oraz
omawia temat od strony czysto teore- W telegrafie interesują nas tylko dwa
zrozumieć zasady działania i budowy
tycznej. Poza tym nierzadko są to infor- stany: jest prąd, albo go nie ma. Podob-
współczesnych cyfrowych układów
macje, delikatnie mówiąc, nieświeże. nie jest z centralą telefoniczną, zbudowa-
scalonych.
Publikacje takie zawierają zazwyczaj ną z przekaz
ników. W zależności od sta-
ogromną ilość szczegółowych informacji, nów linii i impulsów nadawanych przez
jednak początkujący adept elektroniki tarcze telefoniczne, centrala bez udziału
czuje się zagubiony, nie jest bowiem człowieka podejmuje decyzje, realizuje
w stanie stwierdzić, które z podanych potrzebne połączenia, wysyła i przepusz-
wiadomości są mu naprawdę potrzebne, cza sygnały. Pomimo, że centrala taka
a co jest wypełniaczem - bezwartościo- może spełniać dość skomplikowane fun-
wą  watą zupełnie niepotrzebną w jego kcje, jej działanie opiera się na tej samej
amatorskiej praktyce. Na domiar złego podstawowej prostej zasadzie: dany
wielu autorów podręczników lubuje się przekaz
nik albo zadziała, albo pozostaje
w grafach, wzorach, tablicach Karnaugha w spoczynku, zależnie od układu połą-
(czytaj Karnafa) i obliczeniach wykorzys- czeń styków i stanów innych przekaz
ni-
tujących algebrę Boola (czytaj: bula). ków.
Myślę, że Ty nie jesteś entuzjastą ta- Mamy więc przykład urządzenia, które
kiej  rozrywki . Ja w każdym razie nie wyposażone jest w pewną miarę inteli-
jestem, i jeśli chcesz, spróbuję ci poka- gencji, czyli realizuje funkcje logiczne,
zać układy logiczne od strony praktycz- a przy tym jego działanie w sumie opiera
nej. Wcześniej powinieneś jednak przy- się tylko na dwóch stanach: załącz, wy-
swoić sobie nieco wiadomości ogólnych, łącz, inaczej mówiąc: jest, nie ma.
które pozwolą szerzej, jakby z dystansu,
spojrzeć na całą  cyfrówkę i we właści-
wych proporcjach ujrzeć związaną z tym
matematykę. Takiemu szerszemu spo-
jrzeniu poświęcony jest pierwszy odci-
nek cyklu.
Skąd się wzięła
technika cyfrowa?
Na początek przypuśćmy, że nic nie
wiesz o układach cyfrowych, nazywa-
nych też logicznymi. Zacznę więc od za-
mierzchłej historii. Rozwój szeroko poję-
tej elektroniki cyfrowej zaczął się od prób
przesyłania informacji na odległość.
52 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Taka sytuacja zdarzała się wielokrot-
nie w historii nauki - matematycy wy-
myślali jakieś dziwaczne teorie, odkładali
je na półkę, a po jakimś czasie po pomoc
przychodzili praktycy i pytali: czy nie
moglibyście nam pomóc? Czy potrafili-
byście opisać językiem matematyki tego,
czym my się zajmujemy? Wtedy mogli-
byśmy znacznie łatwiej poradzić sobie
z naszymi skomplikowanymi zadaniami.
Najczęściej okazywało się, iż potrzeb-
ne zależności matematyczne zostały już
Rys. 1. Prosty układ zabezpieczający
dawno opracowane przez jakiegoś na-
wiedzonego teoretyka. Tak było z wielo-
ma odkryciami z zakresu fizyki cząstek
Wyobraz
sobie jeszcze dyspozytornię mego odcinka torów. Jeśli nieuważny elementarnych, tak było z teorią względ-
dużego węzła kolejowego. Na pewno dyspozytor przypadkowo otworzyłby ności Einsteina, tak było również z prob-
ogromne znaczenie mają tam wskaz
niki wjazd na ten odcinek z obu stron, oba lemami z dziedziny automatyki.
informujące o stanie semaforów, usta- przekaz
niki zadziałają i w dyspozytorni Stało się jasne, że działanie nawet naj-
wieniu zwrotnic itp. Dobrze zaprojekto- rozlegnie się ostrzegawczy dz
więk bardziej skomplikowanych układów auto-
wana dyspozytornia powinna charaktery- dzwonka. matyki opiera się pewnych matematycz-
zować się sporą miarą inteligencji - musi Działanie jest oczywiste - dzwonek nych zasadach. Ich działanie można opi-
zasygnalizować, lub nawet nie dopuścić ma dzwonić, gdy zadziałają oba przekaz
- sać i rozumieć jako przepływ i przetwa-
do takiego ustawienia zwrotnic, które niki. Ale można też powiedzieć, że układ rzanie informacji. A informacje można
groziłoby zderzeniem dwóch pociągów realizuje pewną funkcję logiczną - być przedstawić w postaci liczb.
na jednym torze. może wiesz, iż jest to funkcja zwana Co więcej, wykazano, że wszystkie
Zauważ, iż większość, jeśli nie wszys- AND (po polsku I). Do zrealizowania ta- przedmioty, zjawiska i procesy, jakie wy-
tkie urządzenia takiej dyspozytorni, też kiego  inteligentnego układu wystarczy stępują we wszechświecie, można opi-
są przykładem urządzeń dwustanowych. odrobina intuicji. sać za pomocą liczb. Na przykład stało
Semafor może być podniesiony lub Jeśli jednak dyspozytornia ma obsłu- się jasne, że zamiast przetwarzać sygna-
opuszczony, zwrotnica może być usta- giwać duży węzeł kolejowy, potrzebne ły dz
więkowe, można je przedstawić za
wiona na dwa sposoby. Nie ma tu sta- funkcje będą znacznie bardziej skompli- pomocą liczb, wykonać działania na tych
nów pośrednich. Te dwa podstawowe kowane, a układ połączeń przekaz
ników liczbach i na koniec niejako zamienić
stany przyjęto oznaczać 0 i 1, albo też będzie niewątpliwie bardzo złożony. Przy otrzymane liczby z powrotem na sygna-
L i H. Oznaczenia L, H, wywodzą się od projektowaniu i analizie takich skom- ły. Najróżniejsze przebiegi, choćby syg-
angielskich słów Low - niski i High - wy- plikowanych sieci podejście intuicyj- nały dz
więkowe, również można przed-
soki. W technice komputerowej używa ne może nie wystarczyć, trudno bowiem stawić w postaci liczb, odpowiednio za-
się też oznaczeń true i false (prawdziwe, objąć myślą wszystkie szczegóły działa- kodować, przesłać na odległość i na po-
fałszywe), które z grubsza biorąc są od- nie całego wielkiego systemu. Co zro- wrót zamienić na pierwotne sygnały.
powiednikami stanów 1 i 0. bić? Czy taka skomplikowana procedura
rysunku 1
Na rysunku 1
rysunku 1
rysunku 1
rysunku 1 znajdziesz przykład reali- A może pomocne byłoby potraktowa- ma jednak sens? Przed laty, gdy dostęp-
zacji obwodu najprostszego zabezpiecze- nie dyspozytorni, czy też centrali, jako ne środki techniczne były bardzo niedos-
nia w dyspozytorni kolejowej. Powiedz- przysłowiowej czarnej skrzynki, która ma konałe, nie stosowano takich cyfrowych
my, że dany przekaz
nik zadziała, gdy ot- pewną ilość wejść i określoną ilość metod. Z czasem postępy techniki umoż-
warty jest wjazd na dany odcinek linii ko- wyjść? Czy można w jakiś względnie liwiły ich stosowanie, i co ważniejsze, za-
lejowej. Przekaz
niki REL1 i REL2 współ- prosty sposób opisać jej działanie i czy pewniły znacznie lepsze parametry
pracują z semaforami i zwrotnicami pomogłoby to póz
niej w praktycznej re- i właściwości, niż stosowane wcześniej
umieszczonymi z dwóch stron tego sa- alizacji układu? rozwiązania bezpośrednie, analogowe.
I tu inżynierowie zajmujący się auto- Przykładami z życia codziennego są
matyką poprosili o pomoc matematy- płyta kompaktowa, telefonia cyfrowa,
ków. czy nowoczesne elektroniczne instru-
Matematycy to dziwny naród. Raso- menty muzyczne.
wy matematyk to oderwany od rzeczy- Z czasem nauczyliśmy się przetwa-
wistości teoretyk, któremu w głowie lęg- rzać cyfrowo nie tylko dz
więk, ale i obraz
ną się jakieś dziwne teorie i który wy- - przykładem niech będą zadziwiające
myśla dziwaczne, nikomu nie potrzebne efekty wizualne w teledyskach, grach
liczby (tak!), działania na tych liczbach komputerowych i tzw. wirtualnej rzeczy-
i prawa nimi rządzące. Całą radością ma- wistości komputerowej. Zadziwiają nas
tematyka jest to, że wymyślone przez nowe płyty kompaktowe wideo, zawiera-
niego liczby, działania na tych liczbach jące pełnometrażowe filmy, CD-romy,
i wszystkie związane z tym zależności czyli komputerowe pamięci na  kompak-
dobrze  trzymają się kupy , czyli tworzą tach , magazynujące ogromne ilości in-
pewien zwarty system. formacji. Nie możemy się nadziwić, jakie
Najczęstszym problemem jest jednak możliwości mają współczesne kompute-
fakt, że całe te piękne i harmonijne zależ- ry, cyfrowe magnetowidy, cyfrowe in-
ności matematyczne... nie są nikomu po- strumenty muzyczne i cyfrowe proceso-
trzebne w praktyce. ry dz
więku...
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97 53
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Nie zapominaj, iż działanie tych A jak prosta jest wtedy tabliczka mnoże-
wszystkich cudów techniki oparte jest na nia i tabliczka dodawania - mają one po
wykonywaniu ogromnej ilości operacji dwie kolumny i dwa rzędy. Oczywiście
matematycznych na liczbach. w systemie dwójkowym obliczenia są
I oto od telegrafu i przekaz
ników prze- jakby mniej skomplikowane, i można je
szliśmy do najnowocześniejszych syste- wykonywać przy użyciu różnych, względ-
mów cyfrowej obróbki sygnałów. nie prostych urządzeń.
Nie będę ci tego udowadniał, przyjmij
Elementarne cegiełki
na wiarę, że dla zrealizowania dowolnych
Co prawda w tym miejscu należałoby zależności logicznych czy obliczeń aryt-
się przyznać, że operacje logiczne i aryt- metycznych w systemie dwójkowym,
metyczne, wrzuciliśmy niejako do tego wystarczy mieć do dyspozycji elementar-
samego worka - w ramach naszego przy- ne dwustanowe  cegiełki ? Takie cegieł-
spieszonego kursu możemy jednak po- ki nazywają się funktorami logicznymi,
zwolić sobie na takie uproszczenie. ale my praktykujący elektronicy nazywa-
Przedstawiona część rozważań miała my je bramkami. Istnieje tylko kilka ty-
ci uświadomić, że działanie wielu współ- pów elementarnych bramek.
czesnych urządzeń elektronicznych jest Zapewne spotkałeś się już z określe-
nierozerwalnie związane z matematyką. niami AND, OR, NAND, NOR.
Od tego nie da się uciec. Tylko w prost- Bramkami zajmiemy się szczegółowo
szych układach możemy szukać rozwią- trochę póz
niej, na razie przejdz
my do ko-
zań kierując się intuicją. Przypuszczam lejnego ważnego zagadnienia.
jednak, że ty nie fascynujesz się mate-
Metody realizacji
matyką. Być może wyobrażasz sobie, iż
teraz dopiero wpuściłem cię w przysło- Jeśli zetknąłeś się już z cyfrowymi
wiowy kanał. Przecież ty nie masz ocho- jest jedynym możliwym systemem licze- układami scalonymi, być może utożsa-
ty grzebać się w skomplikowanych ra- nia. Na pewno słyszałeś o systemie miasz stany logiczne i cyfry systemu
chunkach. dwójkowym. Nie będę go omawiał, bo dwójkowego z napięciem: brak napięcia
Nie martw się! Nawet zaawansowany wyczerpujące informacje znajdziesz to stan 0, czyli niski; napięcie bliskie 5V
elektronik-hobbysta wcale nie musi być w licznych książkach. Dlaczego jednak to stan 1 - wysoki.
dobrym matematykiem - przekonasz się, system dwójkowy znalazł tak szerokie Celowo opowiadałem ci przed chwilą
iż do większości twoich opracowań wy- zastosowanie w elektronice? W uprosz- o matematykach - teraz chyba lepiej ro-
starczy znajomość działania układów sca- czeniu można powiedzieć, iż w systemie zumiesz, że układy logiczne, czy cyfrowe
lonych z rodzin TTL i CMOS, a tego do- dziesiątkowym musimy rozróżnić aż realizują pewne funkcje matematyczne,
wiesz się z najbliższych numerów EdW. dziesięć cyfr, a ponadto żeby przeprowa- więc nie są nierozłącznie związane
W swoich rozwiązaniach będziesz stoso- dzić dowolnie skomplikowane oblicze- z elektroniką - można je realizować róż-
wał podejście czysto intuicyjne i nie mu- nia, należy znać tabliczkę mnożenia i tab- nymi metodami.
sisz znać matematyki. liczkę dodawania, czyli umieć mnożyć Przykładowo w warunkach grożących
Ale elektronika rozwija się błyskawicz- i dodawać liczby z przedziału 0...9 (nie wybuchem lub pożarem, gdzie niedo-
nie i powinieneś mieć przynajmniej ogól- zdziwiłbym się, jeślibyś do tej pory miał puszczalne jest użycie urządzeń elekt-
ne pojęcie o mikroprocesorach i tak zwa- kłopoty z tabliczką mnożenia). rycznych, od dawna stosowano i jeszcze
nych układach PLD. Wykorzystanie tych Tymczasem w systemie dwójkowym, się stosuje pneumatyczne lub hydraulicz-
skomplikowanych podzespołów nie jest gdzie liczby składają się z cyfr 0 i 1, rów- ne układy logiczne. W takich systemach
wcale trudne, ponieważ na nasze wielkie nież można przeprowadzać dowolnie również możemy mówić o dwóch pod-
szczęście w tych dziedzinach, gdzie skomplikowane obliczenia, a wszystko stawowych stanach: zawór zamknięty
w grę wchodzi bardziej zaawansowana to przy użyciu tylko dwóch cyfr (0 i 1)! lub otwarty, tłok w cylindrze lub wysu-
matematyka, opracowano wiele swego
rodzaju sprzętowych i programowych
narzędzi. Dzięki tym narzędziom nawet
niezbyt zaawansowany amator może
z powodzeniem wykorzystać ogromne
możliwości, jakie oferuje współczesna
technika cyfrowa.
Zanim jednak zapoznasz się z mikro-
procesorami i układami PLD, powinieneś
wiedzieć, jak realizuje się wspomniane
operacje matematyczne.
Z funkcjami logicznymi sprawa jest
prostsza, bo tam, niejako naturalnie wy-
stępują dwa  stany - prawda i fałsz,
które łatwo wyobrazić sobie w bardziej
konkretnej postaci (przekaz
nik przyciąga
lub pozostaje w spoczynku; jest napięcie
lub brak napięcia). Gorzej z obliczeniami
arytmetycznymi - jak przedstawić liczby?
Zapewne jest dla ciebie jasne, że uży-
wany przez nas system dziesiętny nie
54 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
nięty z cylindra, jest ciśnienie lub nie ma storów i diod. Były to pudełka o objętości plementarnych MOS, czyli zarówno tran-
ciśnienia. przynajmniej kilku centymetrów sześ- zystorów z kanałem N, jak i z kanałem P.
Czy jest dla ciebie jasne, iż nawet naj- ciennych, zalane żywicą, zawierające Pojawiły się wtedy układy logiczne w
nowocześniejszy superkomputer, teore- wewnątrz kilka, kilkanaście pojedyn- wersji CMOS (Complementary MOS).
tycznie rzecz biorąc, mógłby być zbudo- czych podzespołów. Dla potrzeb przemy- Z czasem na rynku ostały się tylko uk-
wany z przekaz
ników, bramek lampo- słu opracowano pewne standardy. Poja- łady logiczne zbudowane w technologii
wych, diodowo-tranzystorowych, a na- wiły się układy RTL (młodszym Czytelni- bipolarnej, oraz w technologii CMOS.
wet pneumatycznych lub hydraulicznych kom zapewne skojarzy się to z satelitar- I tak pozostało.
elementów logicznych? Problem tylko nym programem telewizji Luksemburg), Na czym więc dziś polega wyścig
w ilości potrzebnych bramek. tymczasem RTL to skrót angielskiej naz- technologiczny?
Oczywiście na miejscu jest pytanie ja- wy Resistor-Transistor-Logic. Oprócz tej Po pierwsze problem w tym, że rze-
ką objętość i masę miałby odpowiednik rezystorowo-tranzystorowej logiki były czywiste układy, przy wykonywaniu ope-
współczesnego komputera, takiego też układy diodowo-tranzystorowe: DTL. racji logicznych, czyli matematycznych,
z procesorem Pentium, w wersji po- Starsi Czytelnicy zapewne z łezką w oku pobierają jakąś moc i zamieniają ją na
wiedzmy, hydraulicznej. Jak wprowa- przypomną sobie rodzinę LOGISTER. ciepło. Póki co, nie potrafimy wykony-
dzać dane do takiego komputera? Jaką Z czasem opanowano produkcję kilku, wać operacji matematycznych bez zuży-
postać miałyby wyniki? kilkunastu tranzystorów w jednym płatku wania energii. Wyścig technologiczny
A ile elektrowni potrzebne byłoby do półprzewodnika i pojawiły się wreszcie ma na celu między innymi zmniejszenie
zasilania procesora Pentium w wersji układy TTL (Transistor-Transistor-Logic). ilości mocy, wydzielanej w postaci ciep-
lampowej? (Pamiętaj jednak, że pierw- Więcej informacji na temat TTL znaj- ła. Nie chodzi tu o oszczędność prądu,
sze prawdziwe komputery jakie pojawiły dziesz w książce  Sztuka Elektroniki , ale o nagrzewanie się struktury półprze-
się w latach 40-tych, zbudowane były na którą przedstawiliśmy w EdW 8/96. Ukła- wodnika. Umieszczenie wielu bramek
lampach i pobierały wiele kilowatów mo- dy TTL wytwarzano w postaci prawdzi- w jednym układzie scalonym powoduje
cy.) wych, monolitycznych układów scalo- wydzielanie znacznych ilości ciepła. Tym-
Ale jakoś nie widzę entuzjazmu nych i umieszczano w używanych do czasem awaryjność przyrządów półprze-
w Twych oczach na myśl, że funkcje lo- dziś, typowych plastikowych obudowach wodnikowych gwałtownie rośnie ze
giczne można realizować na drodze z dwoma rzędami wyprowadzeń, nazy- wzrostem temperatury, i w praktyce ele-
pneumatycznej, hydraulicznej czy me- wanych DIL (Dual In Line). menty krzemowe nie powinny pracować
chanicznej. Masz rację: dopiero rozwój Już w momencie wprowadzenia ukła- w temperaturze powyżej +150oC. Ilość
elektroniki umożliwił realizację naprawdę dów TTL, oprócz elementarnych bramek wydzielanego ciepła ogranicza więc licz-
skomplikowanych układów logicznych zaczęto produkować kostki zawierające bę bramek, które teoretycznie można
i cyfrowych w tani i relatywnie prosty urządzenia logiczne złożone z kilku-kilku- upakować w jednym układzie scalonym.
sposób. nastu bramek, spełniające bardziej skom- Gdy jednak pojedyncza bramka pobie-
plikowane funkcje logiczne i arytmetycz- ra i rozprasza niewiele energii, możliwe
Stopniowy rozwój
ne. Pojawiły się scalone przerzutniki, licz- jest zbudowanie układów scalonych skła-
Rozumiesz teraz, że tak naprawdę, uk- niki, rejestry, proste pamięci, sumatory dających się z ogromnej ilości bramek.
łady logiczne przesyłają i przetwarzają i inne układy arytmetyczne. I tu doszliśmy do drugiej przyczyny
coś tak niematerialnego i ulotnego jak in- Klasyczne układy TTL zbudowane były nieustannego wyścigu technologiczne-
formacje. z tranzystorów bipolarnych NPN. go: pojedyncza bramka to naprawdę ma-
Wiesz już, że do realizacji najbardziej Póz
niej, wraz z opanowaniem tech- ła  cegiełka i żeby zrealizować bardziej
złożonych układów logicznych wystarczy nologii produkcji tranzystorów polowych, złożone układy i zależności logiczne po-
odpowiednia ilość elementarnych  ce- pojawiły się logiczne  cegiełki wykona- trzebne są tysiące, a nawet miliony bra-
giełek - bramek. ne jako układy scalone zawierające tran- mek. Z wielu względów nie opłaci się bu-
Pożądane są jednak takie cegiełki, któ- zystory MOS (Metal Oxide Semiconduc- dować skomplikowanych urządzeń
re potrafiłyby to zrobić pobierając jak naj- tor - polowe z izolowaną bramką). z układów scalonych zawierających poje-
mniej energii i zajmując jak najmniej Szybko opanowano produkcję w jed- dyncze bramki. Powstają więc coraz bar-
miejsca. Ponieważ do skomplikowanych nym płatku krzemu tranzystorów kom- dziej złożone układy scalone, składające
zadań potrzeba ogromnej ilości takich ce-
giełek, powinny one być bardzo tanie.
Jak Ci mówiłem, na początku podsta-
wowymi elementami realizującymi funk-
cje logiczne były przekaz
niki. Przekaz
niki
są jednak duże, drogie, pobierają znaczną
moc. Ponadto jako elementy mechanicz-
ne zawierające styki, są dość powolne
i zawodne. Z podobnych względów lam-
py elektronowe także nie są tu dobrym
rozwiązaniem.
Dlatego prawdziwy wyścig w produk-
cji układów logicznych zaczął się po wy-
nalezieniu elementów półprzewodniko-
wych. Z diod i tranzystorów też można
zbudować układy spełniające elementar-
ne funkcje logiczne.
Tak więc najpierw bramki i inne nieco
bardziej złożone elementy logiczne budo-
wano z pojedynczych tranzystorów, rezy-
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97 55
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
Układy cyfrowe
się z milionów tranzystorów czyli setek Mikroprocesor to nic innego jak bar- ków) pomiędzy poszczególnymi bramka-
tysięcy bramek. dzo skomplikowany układ cyfrowy reali- mi czy przerzutnikami zawartymi
Pierwsze proste układy zawierające zujący jakieś funkcje logiczne. Każdy mik- w strukturze układu. Pamiętasz zapewne
kilka...kilkadziesiąt bramek nazywa się roprocesor może jednak realizować naj- z cyklu  Mikroprocesor - a co to takie-
układami o małej skali integracji (ang. różniejsze zadania, ponieważ o jego pra- go? , że przypomina to programowanie
SSI). Z czasem postęp technologiczny cy decyduje program, umieszczony pamięci PROM.
umożliwił produkcję układów zawierają- w pamięci. Czy śledzisz na łamach EdW Dużym postępem w tej dziedzine było
cych w jednej strukturze kilkaset bramek informacje dotyczące mikroprocesorów? wprowadzenie układów programowal-
- układów o średniej skali integracji (ang. W takim razie nie będę ci tłumaczył nych, wykonanych w technologii CMOS.
MSI). Dziś produkuje się powszechnie szczegółów. Jak zapewne się domyśliłeś, układy takie
kostki zawierające tysiące, a nawet dzie- Wykorzystując mikroprocesor, pa- mogą być elektrycznie programowane
siątki tysięcy bramek - mówimy tu o du- mięć i pewną ilość układów pomocni- i kasowane wielokrotnie, podobnie jak
żej i bardzo dużej skali integracji (ang LSI czych, można zbudować system, który pamięć EPROM czy EEPROM. Obecnie
i VLSI). Tymi skrótami informującymi mógłby obsłużyć dyspozytornię dowol- na rynku dostępnych jest wiele typów ta-
o stopniu złożoności układu scalonego nego węzła kolejowego. kich układów, o różnych możliwościach.
(SSI...VLSI) epatują Cię autorzy niektó- Takie programowe rozwiązanie ma Jednak największą popularnością cieszą
rych podręczników - dla Ciebie skróty te ogromne zalety, bowiem w przypadku się stosunkowo proste, tanie, a mimo
nie mają dosłownie żadnego znaczenia zmian, związanych np. z rozbudową węz- wszystko mające znaczne możliwości,
praktycznego. Nie obciążaj sobie tym ła, wystarczy tylko zmodyfikować pro- elektrycznie programowane i kasowane
głowy. Dziś zdarza się, że mikroprocesor gram, nie trzeba natomiast przebudowy- układy GAL16V8 i GAL20V8. Do tego te-
o wielkiej skali integracji (LSI lub VLSI), wać całego systemu. matu zapewne jeszcze nie raz na łamach
kupisz taniej niż kostkę zawierającą kilka Przez lata mikroprocesory ze względu EdW powrócimy.
bramek (SSI). na swą elastyczność i możliwość zmiany Nie pomyl się jednak - układy PLD nie
programów, czyli spełnianych funkcji, są pamięciami - jest to zespół podstawo-
Dwie drogi
wydawały się niezastąpione w syste- wych bramek i przerzutników, który mo-
Wiesz już, że układ logiczny przetwa- mach automatyki, sterowania, itp. Ale że być skonfigurowany w różnorodny
rza sygnały, czyli w sumie informację. ostatnio, w związku z postępami techno- sposób.
Jakieś sygnały podawane są na wejścia, logii, do łask wracają sposoby sprzęto- Układów takich nie programuje się
a po ich przetworzeniu pojawiają się od- we. Czy słyszałeś o układach PLD? ręcznie - wykorzystuje się do tego kom-
powiednie stany na wyjściach. Jeszcze puter i odpowiedni program. Choć może
Układy PLD
raz wyobraz
sobie dyspozytornię węzła nie rozumiesz jeszcze szczegółów działa-
kolejowego. System logiczny dyspozy- W wielu przypadkach potrzebne są nia układów PLD, przyjmij do wiadomoś-
torni musi przyjąć sygnały informujące skomplikowane systemy logiczne prze- ci, iż przy ich programowaniu wykorzys-
o stanie zwrotnic i semaforów, przetwo- znaczone do specyficznych zastosowań tuje się wspomniane wcześniej prawa
rzyć je, zapalić odpowiednie lampki syg- do których budowy należałoby użyć kilku- i zasady matematyczne. Na szczęście
nalizacyjne i ewentualnie włączyć dzwo- dziesięciu, kilkuset, czy nawet tysięcy nie musi tego robić użytkownik, czarną
nek alarmowy. bramek. Systemy takie zawsze można robotę wykonuje program komputero-
Można to zrealizować przy użyciu zbudować z pojedynczych bramek, ale wy.
przekaz
ników. Można też zbudować jest to sposób drogi i dość zawodny.
Podsumowanie
układ elektroniczny składający się na Jest też inna możliwość: od lat znane fir-
przykład z pojedynczych bramek TTL. my produkujące układy cyfrowe wykonu- W dzisiejszym pierwszym odcinku
Pomyśl jednak, że nie ma dwóch iden- ją złożone systemy logiczne na zamówie- prześledziłeś historię układów logicz-
tycznych węzłów kolejowych, więc nie klienta. Problem w tym, że klient mu- nych, nazywanych też cyfrowymi.
w każdej dyspozytorni musiałaby praco- siał zamówić co najmniej kilka tysięcy, Rozumiesz, że realizują one pewne
wać system o indywidualnie dobranych a nawet kilkadziesiąt tysięcy takich ukła- funkcje matematyczne.
funkcjach. Co prawda są elementy dów, żeby cała zabawa była opłacalna. Wiesz, że występują tam tylko dwa
wspólne - rodzaj sygnałów wejściowych Z czasem opracowano układy scalo- stany: 1 i 0 (prawda, fałsz; wysoki, niski).
i wyjściowych, jednak niewątpliwie speł- ne, zawierające standardowe struktury Dowiedziałeś się, że ta cała fantas-
niane funkcje logiczne muszą być w każ- logiczne w dobrze przemyślanej konfigu- tycznie rozbudowana technika cyfrowa
dym przypadku inne. racji, które klient może zaprogramować tak naprawdę opiera się na kilku podsta-
Czy jednak nie można wymyślić spo- u siebie na biurku. Programowanie pole- wowych bramkach.
sobu, żeby układ sterujący dyspozytorni ga tym razem na wykonaniu lub przerwa- Wiesz, że dana funkcja logiczna może
był budowany jednakowo dla wszystkich niu odpowiednich połączeń dla uzyskania być zrealizowana różnymi metodami.
węzłów kolejowych i potem tylko dosto- potrzebnych funkcji. Spośród różnorodnych realizacji układów
sowywany do lokalnych warunków? By- Ogólnie biorąc, układy tego typu logicznych, my jako elektronicy, najbar-
łoby to bardzo pożądane, choćby ze określa się mianem PLD (Programmable dziej będziemy interesować się cyfrowy-
względów ekonomicznych i serwiso- Logic Devices). mi układami scalonymi.
wych. Programowanie tych układów nie ma W następnych odcinkach zapoznam
I właśnie tu mamy dwie główne moż- nic wspólnego z programowaniem mik- cię z bramkami, przerzutnikami, licznika-
liwości: sposób programowy i sposób roprocesora - ustala się tu po prostu sieć mi, rejestrami i innymi podstawowymi
sprzętowy. połączeń między poszczególnymi bram- składnikami układów cyfrowych. Prześle-
kami, przerzutnikami itp. dzimy też wspólnie, jak poszczególne
Sposób programowy
Najwcześniej, bo w drugiej połowie technologie produkcji wpływają na właś-
Zamiast budować sieć bramek speł- lat 70-tych pojawiły się układy typu PAL ciwości układów logicznych.
niających indywidualnie określone zada- (Programmable Array Logic). Ich progra-
Piotr Górecki
Piotr Górecki
Piotr Górecki
Piotr Górecki
Piotr Górecki
nia, można postawione zadania rozwią- mowanie polegało na przerwaniu połą-
Małgorzata Zackiewicz
Małgorzata Zackiewicz
rysunki Małgorzata Zackiewicz
Małgorzata Zackiewicz
Małgorzata Zackiewicz
zać w sposób programowy. czeń (takich miniaturowych bezpieczni-
56 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97