שבבי היגיון. חלק 1

מאמר מבוא על שבבי היגיון. מתאר מערכות מספרים ואת הייצוג של מספר בינארי באמצעות אותות חשמליים.

המעגל המשולב הדיגיטלי המודרני הוא יחידה אלקטרונית מיניאטורית, אשר הדיור בה מכיל אלמנטים פעילים ופסיביים המחוברים בתבנית מסוימת. אלה טרנזיסטורים, דיודות, נגדים וקבלים.

מספר האלמנטים במעגלי מיקרו מודרניים יכול להגיע לכמה מאות אלפי ואפילו מיליוני אלמנטים. רק תזכרו מעבדים מיקרו-בקרים, שבבי זיכרון.

כדי לפרט את כל מעגלי המיקרו המודרניים, לא תזדקק למאמר אחד, אלא לספר שלם למדי. במאמר זה נבחן מעגלי מיקרו בדרגת אינטגרציה קטנה ובינונית, בעיקר מרכיבי היגיון פשוטים.

לפני כעשרים שנה מעגלים משולבים (LSI)ככלל, הם ביצעו את הפונקציה שהוטבעה בהם במהלך תהליך הייצור. במעגל מיקרו אחד יכול להסתיר מחשבון מיקרו, שעון או צומת של מחשב אלקטרוני (מחשב).

כרגע נפוצה כל מיני מיקרו-בקריםאפילו מכשיר כל כך פשוט כמו זר חג המולד מתוצרת סין אין אלא מיקרו-בקר מתוכנת.

שעונים אלקטרוניים, טיימרים ביתיים, צעצועי שיחה ושירה שונים מתקבלים גם באמצעות תכנות המיקרו-בקר המקביל. או כמו שכולם שומעים עכשיו, מהבהב.

במילים אחרות לא בקר מתוכנת זהו הדיסק שממנו יתקבל המכשיר עם המאפיינים הדרושים למפתח. ולמרות אוניברסליות כזו, אותות הכניסה והפלט של המיקרו-בקר זהים למעגלי המיקרו הדיגיטליים בדרגת אינטגרציה קטנה ובינונית. לפיכך, ללא ידיעה על אלמנטים מיושנים ושוכחים אלה כבר אין דרך ללכת.

בלב העבודה מעגלים דיגיטליים טמונה מערכת מספרים בינארית. זה גם בבסיס פעולת המחשבים האישיים המודרניים וכל מערכות המחשוב והתקשורת.

בחיי היומיום אנו משתמשים במערכת המספרים העשרוניים המכילה עשר ספרות 0 ... 9. מערכת כזו קמה מכיוון שלכל אדם יש עשר אצבעות על ידיו. כמה עמי הצפון ספרו עד עשרים, ומספר העשרים נקרא "כל האדם".

עשר הוא כבר לא ספרה, אלא מספר שמורכב מעשר יחידות ואפס: 10 = 1 * 10 + 0 * 1. באותו אופן בדיוק, המספר 640 יכיל שש מאות + ארבע עשרות + אפס יחידות, או בצורה של מספרים 640 = 6 * 100 + 4 * 10 + 0 * 1.

מערכת כזו נקראת עמדה עשרונית, כלומר משקל הפריקה תלוי במיקומו במספר. קל לשים לב שאלו יהיו יחידות, עשרות, מאות, אלפים, רבבות, מאות אלפים וכן הלאה.

במערכת בינארית מתקבל מספר באותו אופן בדיוק, אך לא עשרה, אלא שניים והתואר שלו משמשים כבסיס. כלומר, לא 1, 10, 100, 1000, 10000 וכן הלאה, אלא 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. כל מספר עוקב אחר מתקבל על ידי הכפלת הקודם בבסיס המערכת (במקרה זה, על ידי 2), כלומר העלאת הקודם לתואר הבא. עבור המערכת העשרונית, כל המספר הקודם מוכפל בעשרה, מכיוון שבסיס מערכת המספרים הוא עשרה.

באמצעות מספר בינארי של שמונה סיביות, (בתים נקרא בטכנולוגיית מחשבים) ניתן לייצג מספרים עשרוניים בטווח 0 ... 255, או בצורה בינארית 0000 0000 ... 1111 1111 (b).

המספר 640 שהוזכר לעיל יתאים לערך 640 = 10 1000 0000 (ב) או, כמו בדוגמה הקודמת

640=1*512+0*256+1*128+0*64+0*32+0*16+0*8+0*4+0*2+0*1.

(ב) בסוף הרשומה מציין שהמספר בינארי.הדרך הקלה ביותר לאמת את נכונות ערך זה היא באמצעות מחשבון Windows. צורה זו של מידע קידוד התבררה כנוחה מאוד למחשבים, מכיוון שהבחנה בין אפס לאחד היא פשוטה כמו מגע סגור ממגע פתוח או מנורה בוערת מאחד שנכחד.

אם מועבר מידע בינארי באמצעות אותות חשמליים, נדרשים רק שתי רמות מתח. ככלל, הוא חיובי יותר (גבוה), ופחות חיובי או אפילו שלילי (אפס).

לרוב מתח מתח גבוה נחשב ליחידה לוגית, ומתח ברמה נמוכה נחשב לאפס הגיוני. ואז הם אומרים שאנחנו מתמודדים עם היגיון חיובי.

בנוסף, יש גם היגיון שלילי: מתח ברמה גבוהה הוא 0 הגיוני, ורמה נמוכה היא יחידה לוגית. במאמר זה נשקול רק היגיון חיובי.

אחד הנפוצים והפופולאריים באותה תקופה בקרב חובבי הרדיו היה מעגלי מיקרו מסדרת K155. מבחינתם מתח האפס ההיגי הוא ברמה של 0 ... 0.4V, והיחידה הלוגית היא 2.4 ... 5.0V. זאת למרות העובדה כי מתח האספקה ​​המדורג לסדרה זו הוא 5 וולט עם סובלנות של + - עשרה אחוזים.

עבור סדרות אחרות של מעגלי מיקרו עם מתח אספקה ​​שונה, המספרים הללו כמובן שונים, אך בתוך אותה סדרה, ללא שינוי. באופן גס ניתן לומר שהמתח של יחידה לוגית ברוב סדרות המיקרו-מעגלים נע בין מחצית מתח האספקה ​​למתח האספקה ​​המלא.

לדוגמה, עבור מעגלים מיקרו מסדרת K561 עם מתח אספקה ​​של + 15 וולט, מתח היחידה הלוגית יהיה בתחום + 7.5 ... 15 וולט. סדרת K561 ניתנת להפעלה עם מתח אספקה ​​בתוך 3 ... 15V. במקרה זה, המתח של היחידה הלוגית יהיה בגבולות שצוינו לעיל.

אנו נתייחס לתיאור מעגלים לוגיים המשתמשים בסדרת K155 כנפוץ ביותר ואינם דורשים אמצעי זהירות מיוחדים במהלך הפעולה.

סדרת השבבים הזו נחשבת למושלמת פונקציונלית והיא מכילה כמאה פריטים. המשמעות היא שעם סדרה זו תוכלו ליישם כל פונקציה לוגית מורכבת ביותר אפילו.

במאמר הבא נכיר את התפעול והמכשיר של מעגלי מיקרו דיגיטליים. נתחיל היכרות זו עם אלמנטים לוגיים המיישמים את הפונקציות הפשוטות ביותר. אלגברה בוליאנית (אלגברה של היגיון).

בוריס אלאדישקין

המשך המאמר: שבבי היגיון. חלק ב ' 

ספר אלקטרוני -מדריך למתחילים לבקרי מיקרו AVR

Comments

[#1 אלכסיי]

מסתבר שבמקרה זה סדרות השבבים K561 ו- K155 נבדלות זו מזו רק במתח האספקה, אך האם היא מבצעת את אותה פונקציה?