Большинство сложных микросхем, предназначенных для микропроцессорных систем, разработаны с учетом возможности их подключения к шине. К шине разрешается подсоединять выходы и входы нескольких микросхем, поэтому возникает опасность одновременного появления на шине конфликтующих логических уровней.
Чтобы преодолеть эту трудность, требуются логические устройства, которые не только формируют на своих выходах логический 0 и логическую 1, но и при необходимости отключаются от шины. По существу, в них появляется третье, высокоимпедансное состояние, поэтому такие устройства (микросхемы) относят к семейству тристабильной (трехустойчивой) логики.
Специальный входной сигнал, обычно называемый разрешением EN или выбором кристалла CS, переводит тристабильную микросхему в рабочее состояние. Сигнал EN (CS) может быть активным при высоком или низком уровне: в первом случае выходные сигналы микросхемы действительны, когда EN или CS соответствует логической 1, а во втором — логическому 0. Сигнал с активным низким уровнем обозначается небольшим кружком в месте его входа (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Сравнение обычных и тристабильных логических схем:
а —обычная логическая схема; б — тристабильная логическая схема (разрешается высоким уровнем EN); в — тристабильная логическая схема (разрешается низким уровнем EN)
Под логическими уровнями понимают диапазоны напряжений, используемые для представления логических состояний 0 и 1. Неудивительно, что логические уровни для КМОП-схем существенно отличаются от уровней для TTЛ-схем. Действительно, уровни для КМОП-схем даются относительно напряжения питания (оно варьируется в диапазоне от +3 до +15 В), а для ТТЛ-схем уровни фиксированы. Значения логических уровней приведены в табл. 2.1.
В идеальном случае интерпретация логических уровней не должна вызывать ни неопределенности, ни неоднозначности. К сожалению, в реальных сигналах всегда действуют помехи (шум). Следовательно, важнейшим свойством логических схем становится способность подавлять помехи. Особенно это относится к устройствам, работающих в условиях сильных электрических помех, например на металлургическом заводе или судоверфи.
Способность логической схемы подавлять помехи измеряется запасом помехоустойчивости и определяется как разность между минимальными значениями выходного к входного напряжений в состоянии высокого уровня к максимальными значениями выходного, и входного напряжений в состоянии низкого уровня.
Запас помехоустойчивости для стандартных ТТЛ-схем серии 7400 обычно составляет 0,4 В, а для КМОП-схем равен 1/3 VDD (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Логические уровни КМОП- и ТТЛ-схем
Обозначения основных логических элементов в соответствии с английским (BS) и американским (MIL/ANSI) стандартами показаны на рис. 2.3. В Великобритании широко распространен американский стандарт, и лишь некоторые фирмы следуют стандарту BS[2]. Рассмотрим вкратце функции логических элементов, приведенных на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Обозначения и таблицы истинности основных логических элементов.
Буфер. Буфер не изменяет логического состояния цифрового сигнала, т. е. логическая 1 (или 0) на входе вызывает логическую 1 (или 0) на выходе. Буферы обычно применяются для повышения нагрузочной способности по току, а также формирования логических уровней, действующих в интерфейсе (устройстве сопряжения).
Инвертор. Инвертор осуществляет дополнение логического состояния, т. е. логическая 1 на входе вызывает логический 0 на выходе и наоборот. Кроме того, инверторы усиливают сигнал по току и, как буферы, применяются в схемах интерфейсов.
Элемент И. На выходе элемента И логическая 1 появляется, если только все входы одновременно находятся в состоянии логической 1. Все остальные комбинации входов приводят к образованию на выходе логического 0.
Элемент НЕ-И. На выходе элемента НЕ-И образуется логический 0, когда все выходы одновременно находятся в состоянии логической 1. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логической 1. Следовательно, элемент НЕ-И — это просто элемент И с инвертированным выходом; кружок на выходе показывает эту инверсию.
2
Таблица стандартных обозначений логических элементов, принятых в СССР, приведена в приложении. —