шинными формирователями

Лекция 16.
Управление работой систем
неразрушающего контроля
Шинный формирователь
Элементы, применяемые для реализации совместного
использования электрических линий шины называются шинными
формирователями (ШФ, BD (Bus Driver)). Они ставятся между
шиной и любым участником обменных операций по шине. Через
шинные формирователи устройства микро-ЭВМ физически
подключаются к шине и друг к другу.
Шинные формирователи обеспечивают:
• усиление формируемых сигналов по мощности;
• отключают устройство от шины, когда оно не участвует в
обмене;
• обеспечивают требуемые для логических сигналов их
физические уровни;
Шинный формирователь
Часто к системной шине необходимо подключать несколько
устройств, что создает проблему возникновения конфликтов на
шине. Соответственно, при наличии нескольких приемников
нагрузка на источник увеличивается. Эти проблемы можно
решить с помощью микросхем, имеющих выходы с тремя
состояниями, называемыми шинными формирователями.
Системная шина
Ист-к
1
Ист-к
2
При-к При-к При-к
1
2
3
Реализация шинных формирователей
Наиболее широко для создания
следующие классы логических элементов:
• ТТЛ - транзисторно-транзисторная
биполярных транзисторов и резисторов);
ШФ
логика
используются
(на
основе
• ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
(на основе сборки диодов Шоттки или PNP транзисторов в
сочетании с диодами Шоттки);
• КМОП
комплементарная
структура
металл-оксидполупроводник
(на
основе
полевых
транзисторов
с
изолированным затвором с каналами разной проводимости);
Элементы с тремя состояниями
Элементы с тремя состояниями кроме выходов 0 и 1 имеют
третье состояние выхода: Z-состояние, состояние высокого
импеданса, состояние низкой проводимости, в котором выходной
ток пренебрежительно мал.
Выходной каскад с третьим состоянием может быть построен
на ТТЛ(Ш)- или КМОП-элементах.
Графическое обозначение
ОЕ
DI (Вх)
ОЕ
1
DO (Вых)
DI (Вх)
DO (Вых)
Для перевода элемента в третье состояние используется
специальный управляющий вход OE (Output Enable).
На принципиальных схемах элементы с тремя состояниями
выхода обозначаются знаком треугольника или буквой Z.
Элементы с тремя состояниями
При высоком уровне входного
Выходной каскад
OE разрешает работу, он
на КМОП-элементах сигнала
Ucc
1
T3
T1
DI
DO
T2
OE
T4
открывает транзисторы T3 и T4, позволяя
нормально
работать
инвертору
на
транзисторах T1 и T2, через который
данные передаются на выход.
При низком уровне сигнала OE
выход
находится
в
состоянии
«Отключено».
Output Enable
Таблица истинности работы
OE
DI
DO
1
1
0
1
0
0
0
X
Z
В цифровой технике применяются
следующие
разновидности
выходных
каскадов с третьим состоянием:
• с инверсией входных данных или без нее;
• с высоким или низким активным
состоянием управляющего сигнала.
Преимущества элементов с тремя состояниями
Выходы типа третье состояние можно соединять
параллельно при соблюдении условия, что в любой момент
времени активным может быть только один из них. В этом
случае
остальные
выходы
не
мешают
активному
формированию сигнала в точке соединения выходов. Эта
возможность позволяет применять такие элементы для
формирования систем с распределенной шиной, в которых
несколько источников информации подключаются к одной
линии связи.
•
•
Преимущества таких элементов:
быстродействие;
высокая нагрузочная способность.
Микросхемы шинных формирователей.
Классификация
Шинные формирователи различаются:
• по разрядности;
• по направлению передачи (одно или двунаправленные);
• по типу передачи сигнала (в прямом или инвертированном
виде);
• по типу разрешающего сигнала (прямой или инверсный);
• по электрическим параметрам.
Условно графическое изображение микросхемы шинного
формирователя
Указывает
на
двунаправленный BD
BD
a1
a2
a3
a4
Выбор
направления
передачи
b1
b2
b3
b4
Bus Driver
Обозначение
схем с тремя
состояниями
T
OE
Выбор
возможности
передачи
Вход OE разрешает или запрещает работу ШФ, вход T
(Transmit) служит для выбора направления передачи данных.
Структура двунаправленного шинного формирователя
A0
B0
A4
B4
T
Двунаправленный шинный формирователь
состоит
из
набора
двунаправленных
трехстабильных схем (в данном случае 8 схем),
управляемых синхронно. Двунаправленная схема
представляет собой две включенные встречнопараллельно однонаправленные трехстабильные
схемы. Одновременно может быть включена
только одна схема.
1
1
OE
T
OE
Направление передачи
0
0
От B к A
0
1
Передача запрещена
1
0
От A к B
1
1
Передача запрещена
Так как шина A подключена к МП, а
шина B к магистрали, то нагрузочная
способность у них разная: выходные
токи шины B больше выходных токов
шины A.
Буферные регистры
Регистром называется совокупность однонаправленных
трёхстабильных буферных схем, управляемых одновременно.
Буферные регистры, также как и шинные формирователи,
работают на магистраль, но их особенностью является
возможность запоминать своё состояние, т. е. они могут
выполнять временную буферизацию данных, что составляет
важнейшую функцию портов.
Буферные регистры, построенные на выходных каскадах с
тремя состояниями, позволяют портам отключаться от
магистрали под действием управляющих сигналов, а также
обеспечивают необходимую нагрузочную способность.
Буферные регистры
Изображение буферного
регистра
Структура буферного
регистра
Register
A0
RG
D
n
C
DI
B0
n
DO
An
STB
OE
Strobe
D – триггер
D
STB
1
ОЕ
1
C
Bn
Буферные регистры
Внутренне буферный регистр можно представить как
последовательное соединение D-триггера и однонаправленного
трёхстабильного каскада. Приём данных разрешается сигналом
STB.
D-триггер
(от
английского
DELAY)
называют
информационным триггером, а также триггером задержки.
D - триггер бывает только синхронным. Он может управляться
(переключаться) как уровнем тактирующего импульса, так и его
фронтом. Для триггера типа D, состояние в интервале времени
между сигналом на входной линии и следующим состоянием
триггера формируется проще, чем для любого другого типа
Работа схемы буферного регистра
В исходном состоянии вход OE активен, поэтому состояние
внутреннего регистра триггера передается на выход. После того как вход
STB (вход STB разрешает или запрещает прием данных в буфер) переходит в
активное состояние (1), состояние входной шины перемещается во
внутренний регистр триггера (2), поэтому изменение состояния этой шины
с некоторой задержкой передается на выход (3). После перехода
управляющего входа STB в пассивное состояние (4) содержимое
внутреннего регистра триггера и выходной шины измениться не может,
поэтому изменение состояния входной шины никак не отражается на
выходе (5). При переходе входа OE в пассивное состояние (6) с некоторой
задержкой выходная шина переходит в третье состояние (7). Выход OE
переходит в активное состояние (8), возвращая выход в активное состояние
(9).
Типы выходов
В цифровой схемотехнике помимо выхода с тремя
состояниями используются ещё два типа выходов:
•
выход с открытым коллектором;
•
выход с открытым эмиттером.
Выход с открытым коллектором
Элементы с открытым коллектором или с открытым стоком
строятся на ТТЛШ- или КМОП-структуре соответственно.
Выходная цепь этих элементов заканчивается одиночным
транзистором, коллектор которого не соединен с какими-либо цепями
внутри микросхемы.
В случае с КМОП-структурой элемент имеет выходную цепь в
виде одиночного МОП-транзистора, сток которого разомкнут.
Транзистор может находиться в насыщенном (открытом) или
запертом состоянии. Насыщенное состояние трактуется как логический
нуль, запертое – как логическая единица. Насыщение транзистора в
схеме с открытым коллектором обеспечивается на выходе напряжением
UКЭН (малое напряжение коллектор – эммитер). При запирании
транзистора выход имеет неизвестный потенциал, так как он не
подключен к каким-либо цепям. В связи с этим для формирования
высокого уровня напряжения при запирании транзистора к выходу
элемента с открытым коллектором или открытым стоком подключают
нагрузочные резисторы, соединенные с источником питания.
Выход с открытым коллектором
Положительными чертами
этих
элементов
являются
возможность одновременной
работы нескольких элементов,
выходы которых соединены
параллельно, что исключает
выход элемента из строя из-за
ошибок управления, а также
дополнительная возможность
реализации
операций
монтажной логики.
Схема выходной цепи элемента
с открытым коллектором
Ucc
Ucc
Вых
Вых
Условное
обозначение схем
с открытым
коллектором
Выходы элементов с открытым коллектором можно соединять
параллельно, при этом можно получить режим поочередной работы
элементов на общую линию (активный только один элемент) или режим
монтажной логики, реализующей операцию «Логическое И» (если
активны несколько элементов).
Выход с открытым коллектором
Недостатком объединения нескольких элементов на один
провод является низкая скорость передачи информации,
обусловленная затягиванием переднего фронта и, как следствие,
большой задержки переключения с 0 на 1. Это связано с тем, что при
переключении выходная емкость шины заряжается сравнительно
малым током резистора R. Величину этого сопротивления
невозможно уменьшить меньше некоторого предела, определяемого
напряжением низкого уровня, который определяется, в свою очередь,
допустимым током потребления всей схемы в целом.
Временная диаграмма напряжения на шине с общим коллектором
Выход с открытым эммитером
Выход с открытым эмиттером
характерен для элементов типа ЭСЛ
(эмиттерно-связанная логика).
Возможность
соединения
выходов элементов даёт возможность
реализовать
дополнительные
операции монтажной логики ИЛИ.
Условное обозначение
схем с открытым
эмиттером