Генераторы прямоугольных импульсов.

Генераторы предназначены для формирования последовательности электрических импульсов с целью синхронизации работы устройств. В общем случае импульсы могут быть различной формы, но в цифровой технике чаще используются генераторы импульсов прямоугольной формы.

Простейший генератор прямоугольных импульсов можно собрать по схеме:

 

 

 

Тактовая частота генерируемых импульсов в этой схеме будет равна Fт= 1/τ, где τ- задержка прохождения сигнала в цепи «логический элемент- линия задержки». В качестве элемента задержки можно использовать цепочку из 2К логических элементов «НЕ». Тогда схема примет вид:

 

С уменьшением частоты генерации количество элементов в схеме растет и может оказаться неприемлемо большим. Для получения скважности импульсов равной двум, на выходе генератора следует поставить счетный триггер, который поделит входную частоту на два, обеспечит скважность импульсов равную двум и улучшит их фронты.

На практике часто используют множество простых схемы генераторов, в которых время задержки, необходимое для создания положительной обратной связи, обеспечивается конденсатором. Тактовая частота генерации в таких схемах зависит не только от постоянной времени заряда конденсатора, но и от самой схемы и серии элементов. Для часто используемых схем, построенных по этому принципу, в справочной литературе приводятся экспериментальные формулы для расчета тактовой частоты, границы значений «R» и «С» и другие параметры. Несколько примеров таких схем приведены ниже.

 

 

 

Сопротивление R2* используется для мягкого возбуждения генерации. Вместо конденсатора С можно использовать кварцевый резонатор.

 

 

 

 

Комбинационные арифметико-логические устройства (КАЛУ)

 

Наряду с выполнением арифметических операций сложения, вычитания, реже умножения и деления, приходится выполнять логические операции, причем если Х=(х₃, х₂, х₁, х₀), Y=(y₃, y₂, y₁, y₀), то Х*Y=( х_3* y₃, х_2* y₂, х_1* y₁, х_0* y₀), где * - любая логическая операция, то есть логические операции выполняются поразрядно.

Для уменьшения затрат оборудования при построении блоков, реализующих арифметические и логические операции, были созданы интегральные микросхемы комбинационных арифметико-логических устройств (КАЛУ). В основе функционирования и внутренней структуры КАЛУ лежит следующая система из 11 уравнений:

 

 

 

F – информационные выходы;

A_i, B_i - информационные входы;

S_i – управляющий вход (настройка на реализацию конкретной логической или арифметической операции);

a_i,b_i – промежуточные переменные;

q_i – уравнения формирования параллельного переноса в 4-разрядной секции;

C₄ – выходной перенос;

P – выход распространения переноса;

G – выход генерации переноса;

E – выход равенства;

В схеме реализующей эти уравнения три каскада. Первый каскад реализует уравнения 2,3; второй каскад - уравнения 4-7, 10; третий каскад- уравнения 1,8,11. Приведенные уравнения лежат в основе функциональной организации КАЛУ в составе серий интегральных микросхем ТТЛ, ТТЛШ малой степени интеграции. Например, микросхема 1533 ИП3, условное графическое обозначение которой приводится ниже.

 

В зависимости от комбинации сигналов на управляющих входах S1, M выполняется соответствующая логическая или арифметическая операция. При М=0 реализуются арифметические операции (цепи переноса задействованы), при М=1 – логические операции (цепи переноса заблокированы) Например: S3S2S1S0=<0000> При М=1 q0q1q2q3=1 ai=0, bi=Аi , то есть выполняется логическая операция инверсия; если же М=0, то все q задействованы и

Так как в схеме пять управляющих сигналов S0-S3,М, то возможна реализация 32-х арифметических и логических операций. Кроме того если учесть возможность подачи на чисто комбинационную схему инверсных значений операндов, то фактически схема реализует еще 32 арифметических и логических операций. Таким образом, общее количество реализуемых арифметических и логических операций равно 64.

Условное графическое обозначение (УГ0) КАЛУ приведено для прямых значений операндов на входах. Для инверсных значений операндов на УГ0 поменяются местами знаки инверсии на входах и выходах С₄,С₀, a_i, b_i, F_i, PG.

Для увеличения разрядности используется каскадное включение нескольких микросхем КАЛУ. Если требования к быстродействию невысоки, то следует использовать последовательный перенос между секциями.

Например, структурная схема параллельного 12-разрядного КАЛУ с последовательным переносом между 4-разрядными секциями будет иметь вид:

 

 

Достоинства схемы - ее простота и отсутствие дополнительных элементов. Недостатки: невысокое быстродействие, уменьшающееся пропорционально количеству секций в схеме.

В тех случаях, когда требования к быстродействию высоки, в паре с несколькими АЛУ используется специальная схема ускоренного переноса (СУП). В основе функционирования СУП лежит система уравнений:

 

Система для прямых значений операндов

Условное графическое обозначение схемы ускоренного переноса представлено на рисунке:

 

Одна микросхема СУП обеспечивает параллельный перенос в 16-разрядном КАЛУ из четырех секций. Для инверсных значений операндов на входах-выходах УГ0 поменяются местами знаки инверсий. Структурная схема совместного подключения четырех КАЛУ и СУП будет иметь вид:

 

 

В схеме не показаны информационные каналы A, B, F, цепи управления S₀-S₃, М. Выходы P, G старшего КАЛУ можно не подключать, так как P₃G₃ не участвуют в формировании C_x, C_y, C_z. Однако, если выходы P, G СУП используются в последующих каскадах, то P₃, G₃ подключаются.

Для 64-разрядного параллельного КАЛУ с параллельным переносом схема совместного включения КАЛУ и СУП будет иметь вид:

 

 

 

 

Время выполнения операции сложения в параллельном 16-разрядном КАЛУ с последовательным переносом отслеживается по формуле:

 

Для микросхем серии 1533 t_{сп мах1}=26нс*4=104нс.

Для схемы такой же разрядности с параллельным переносом:

 

32нс+29нс+26нс=87нс

Для 64-разрядной схемы с параллельным переносом :

 

32нс+29нс+30нс+26нс=117нс

Для 64-разрядной схемы с последовательным переносом t_сл=416нс. Таким образом, с увеличением разрядности выигрыш в быстродействии схемы с параллельным переносом становится все более ощутимым.