Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002), страница 7

28 Глава 1. Введение 1«) — „-С ~о —.;-~ ) о о ~о —,— ~ ~ 1 ~ь) )Г~ о -~-~ ~ ' -т.~ ) —;) (,) о ~.. ~ ), о Рис. 1.1. Логические схемы: (а) схема И; (Ь) схема ИЛИ; (с) схема НЕ или ннвер- тор Показанная на рис. (Ь) 2-входовая логическая схема ИЛИ (Ог) лаге) вырабатывает! на выходе, если на одном нли на обоих ее входах присутствует 1; выходной сигнал этой схемы равен О только в том случае, когда оба входных сигнала равны О.

На рисунке снова приведены четыре возможные комбинации сигналов на входах с соответствующими значениями выходного сигнала. На выходе лаги««ской схемы НЕ(НОТ да)е), чаще называемой и«вертером (ип етег), вырабатывается сигнал, значение которого противоположно значению входного сигнала, как это показано на рнс. (с). Мы назвали эти трн логические схемы самыми важными по убедительной причине. Любую логическую функцию можно реализовать, пользуясь толью этими тремя типами логических схем. В главе 3 будет показано, как выглядят логические схемы на транзисторах. Нужно, однако, помнить, что логические схемы строились или могли быть построены и на другой основе, например, на реле или на электронных лампах, а также в виде гидравлической конструкции или молекулярной решетки.

Устройство, способное хранить О или 1, называется трт г«раи (Т((р ()ар). Состояние (таге) триггера- это значение, которое в нем хранится в настоящее время. Сохраняемое значение можно изменить только в определенные моменты времени, задаваемые «тактовым» входным сигналом, и то, что будет храниться в дальнейшем, зависит от предшествующего состояния триггера и от значений сигналов на его «управляющих» входах.

Триггер можно построить в виде комбинации вентилей, включенных некоторым хитрым способом, как будет показано в параграфе 7.2. Цифровая схема, содержащая триггеры, называется паследавательиостиой схемой (лейиепиа( сисий), поскольку значение сигнала на ее выходе в какой-то момент времени зависит не только от сигналов, имеющихся на входах схемы в этот момент времени, но также и от предшествовавшей последовательности значений сигналов, которые были на ее входах ранее. Другими словами, последовател ьностная схема обладает памятью (тетагу) по отношению к событиям, происходившим ранее. 1.4. Электронные аспекты цифрового проектирования Цифровые схемы не являются в точности двоичной версией «супа нз букв»; при всем почтении к рис.

1.1, маленькие нули и единицы не плавают около входов и 1.4. Электронные аспекты цифрового проектирования 29 выходов изображенных на нем схем. Как мы увидим в главе 3, цифровые схемы имеют дело с аналоговыми напряжениями и токами и строятся из аналоговых компонентов. «Цифровая абстракция» позволяет в большинстве случаев игнорировать аналоговое поведение, так что схемы можно представить в виде моделей, как если бы они на самом деле обрабатывали нули и единицы, Важный аспект цифровой абстракции состоит в том, чтобы увязать интервал аналоговых значений с каждой из логических величин О и 1. Как показано парис.

! .2, для типичного вентиля не гарантируется, что логическому О на выходе соответствует точно указываемый уровень напряжения. Скорее, напряжение на выходе вентиля окажется в пределах некоторою интервала, который является подмлалсвствам множества значений, которые гарантированно воспринимаются как О входами других вентилей. Интервал между границами диапазонов называют запасам помехоустойчивости (паже тасует~. 'сигнал на выходе вентиля может быть сильно искажен помехами, но все же он будет правильно интерпретироваться на входах других логических схем. Рис. 1.2.

Логические значения и запас помехоустойчивости Запас напражанн Аналогично обстоит дело с логической 1 на выходе. Обратите внимание, что между диапазонами, соответствующими логическому О и логической 1, имеется область «недействительных» значений. Хотя у любой конкретной цифровой схемы, работающей прн заданном напряжении питания и при фиксированной температуре, граница между двумя диапазонами имеет вполне определенное значение, у разных логических схем их границы лежат гдв-та в области «недействительных» значений. Благодаря этому любой сигнал, приналлежащий диапазонам логического О и логической 1, будет одинаково интерпретироваться различными схемами.

Это свойство существенно с точки зрения воспроизводимости результатов. О том, чтобы вентили вырабатывали и распознавали логические сигналы, значения которых лежат внутри соответствующих интервалов, должен позаботиться разработчик жаектраниай схемы. Это проблема расчета аналоговой схемы; некоторые аспекты этой проблемы мы затронем в главе 3. Нельзя построить схему, которая вела бы себя желаемым образом при произвольных напряжениях питания, температуре, нагрузке и других факторах. 1!оэтому разработчик электронной схемы или производитель тех или иных устройств снабжают нас тсекпическими условиями (врвсфсаг!оп), при соблюдении которых правильная работа схемы илн устройства гарантируется. 30 Глава 1.

Введение Однако проектировщику иигрравага устройства нет необходимости вдаваться в детали аналогового поведения его конструкции, чтобы обеспсчить правильность ее работы. Скорее всего, вам нужно будет толью проконтролировать внешние условия, в которых предстоит функционировать устройству, и убедиться, что они не выходят за рамки известных напередтехнических требований. Неюторые аналоговые знания необходимы, чтобы выполнить такую проверку, но далеко не столь глубокие, какие могли бы понадобиться, если начинать проектирование цифрового устройства с нуля. В гтаве 3 мы дадим вам как раз то, что нужно.

1.5. Роль программирования в проектировании цифровых устройств Цифровое проектирование не обязательно требует квких-то программных средств. Например, парис. !.3 представлен простейший инструмент разработки цифровых схем «старой школы» — пластиковый трафарет для вычерчивания логических элементов на принципиальной схеме вручную !на нем паяльником выжжено имя владельца !%АКŠ— начальные буквы фамилии автора книги. — Прим.

перев.)1 Однако сегодня программные средства являются существенной составной частью цифрового проектирования. Действительно, в последние несколько лет досзупность и практичность языков описания схем в сочетании со средствами моделирования схем и загрузки программируемых кристаллов полностью изменили сам характер цифрового проектирования. В этой книге мы будем повсюду широко использовать языки описания схем.

Различные программные средства, применяемые при автоматиэираваннам проектировании (сатригег-айвам Ывв|дп, СА0), повышают производительность труда разработчика и позволяют выполнить проект более правильно и улучшить его качество. В мире, где властвует дух конкуренции, когда поджимают сроки, без использования программных средств нельзя получить высококачественные резул ьтаты.

Вот важные примеры программных средств для цифрового проектирования: ° Графический редактор схем. Это схемотехнический эквивалент текстового редактора. Он |юзволяет рисовать схемы на экране, а не карандашом на бумаге. Более совершенные графические редакторы проверяют также, нет ли в схеме простых, легко обнаруживаемых ошибок, таких как короткое замыкание выходов. наличие никуда не поданных сигналов и т.д. Такие программы подробнее рассматриваются в разделе ! !. !.2. Рис. 1.3.

Трафарет разработчика цифровых схем 1.5. Роль программирования в проектировании цифровых устройств 31 ° Языки описания схем. Первоначально эти языки предназначались для моделирования схем, но сегодня все в большей степени они применяются для проектирования аппаратуры. Эти языки можно использовать при разработке чего угодно: от отдельных функциональных модулей до больших цифровых систем на многих кристаллах.

В конце главы 4 мы познакомимся с двумя языками описания схем; АВЕЬ и ЧНОЬ, а в последующих главах булут приводиться примеры на обоих языках. ° Кампняяторы языков описания схвлс средства мод«дарования н синтеза. Типичный программный пакет языка описания схем состоит из нескольких компонентов. Находясь в такой среде, проектировщик пишет текстовую «программу», и компилятор языка анализирует ее на наличие синтаксических ошибок. Если процесс компиляции завершается успешно, то проектировщик получает результат для передачи его программе синтеза, юторая создает соответствующую конфигурацию схемы на заданной элементной базе. Чаще всего перед синтезом проектировщик использует результат компиляции в качестве входных данных моделирующей программы, чтобы проконтролировать поведение разрабатываемого устройства.

» Мод«»нрующие программы. Цикл проектирования заказной однокристальной цифровой интегральной микросхемы долог и дорог. Когда кристалл уже изготовлен, очень трудно, а часто невозможно устранить ошибки, проверяя внутренние соединения (размеры которых, действительно, очень малы), или произвести изменения в логических схемах и соединениях между ними. Как правило, изменения необходимо внести в исходные данные проекта, и для реализации требуемых изменений должен быть изготовлен новый кристалл. Поскотьку на выполнение этой процедуры могут уйти месяцы, у разработчиков кристаллов есть стимул сразу (или почти сразу) «получить то, что надо» с первой же попытки.

Моделирующие программы помогают проектировщикам предсказать электрические характеристики и функциональное поведение кристалла без его фактического изготовления, позволяя обнаружить если не все, то подавляющее большинство недостатков до того, как кристалл будет сделан. ° Моделирующие программы используются также при разработке «программируемых логических устройств», с которыми мы познакомимся позлнее, а также при проектировании больших схем, в которые входит много отдельных компонентов.

В этом случае моделирование не столь существенно, поскольку разработчику легче провести замену компонентов или изменить разводку на печатной плате. Однако даже небольшое моделирование позволяет сэкономить время за счет обнаружения простых и глупых ошибок. ° Праграммныв средства тестирования (геж Ьвпсйез). Разработчики цифровых устройств научились формализовать моделирование и отладку схем в программныхх средах, получивших название программных или инструментальных средств тестирования.