3.1.2. Повторители и буферы
Повторители и буферы отличаются от инверторов прежде всего тем, что они не инвертируют сигнал (правда, существуют и инвертирующие буферы). Зачем же тогда они нужны? Во-первых, они выполняют функцию увеличения нагрузочной способности сигнала, то есть позволяют подавать один сигнал на много входов. Для этого имеются буферы с повышенным выходным током и выходом 2С, например, ЛП16 (шесть буферных повторителей). Во-вторых, большинство буферов имеют выход ОК или 3С, что позволяет использовать их для получения двунаправленных линий или для мультиплексирования сигналов. Поясним подробнее эти термины.
Рис. 3.6. Двунаправленная линия
Под двунаправленными линиями понимаются такие линии (провода), сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов (рис. 3.6). Понятно, что двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов ОК или 3С. Поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.
Рис. 3.7. Однонаправленная мультиплексированная линия на основе буферов
Мультиплексированием называется передача разных сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются (переводятся в пассивное состояние). В отличие от двунаправленной линии, к мультиплексированной линии, построенной на основе буферов, может быть подключен всего лишь один вход, но обязательно несколько выходов с ОК или 3С (рис. 3.7). Мультиплексированные линии могут строиться не только на буферах, но и на микросхемах мультиплексоров.
Рис. 3.8. Объединение выходов буферов с ОК
Примером буферов с выходом ОК является микросхема ЛП17 (шесть буферов с ОК). Точно так же, как и в случае инверторов с ОК (см. рис. 3.5), выходы нескольких буферов с ОК могут объединяться для получения функции «Монтажное И», то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при единицах на всех входах (рис. 3.8). То есть реализуется многовходовой элемент И.
Буферы с выходом 3С представлены гораздо большим количеством микросхем, например, ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, АП14. Эти буферы обязательно имеют управляющий вход EZ (или OE), переводящий выходы в третье, пассивное состояние. Как правило, третьему состоянию соответствует единица на этом входе, а активному состоянию выходов — нуль, то есть сигнал EZ имеет отрицательную полярность.
Буферы бывают однонаправленные или двунаправленные, с инверсией или без инверсии сигналов, с управлением всеми выходами одновременно или с управлением группами выходов. Всем этим и определяется большое разнообразие микросхем буферов.
Таблица 3.2. Таблица истинности буфера без инверсии
8.3. Буферы данных
Кроме РОН в цифровых устройствах используют буферы данных, которые строят на основе регистровой памяти.
В буфер записывают несколько слов по очереди (последовательно слово за словом). Для организации обычной очередности служит буфер типа “очередь”, или FIFO (first in – first out) первый вошел – первый вышел. Необходимость в таком буфере возникает, когда приемное устройство не успевает обрабатывать данные, которые поступают нерегулярно и иногда очень быстро. Если потери информации недопустимы, то между источником и приемником включается буфер FIFO, в котором хранится очередь слов, ожидающих обработки.
Можно представить набор регистров в виде кольца (рис. 8.6). Часть регистров занята очередью, остальные – резерв.
Рис. 8.6. Диаграмма использования адресов регистра
Адрес записи при постановке в очередь задается счетчиком хвоста СТхв (рис. 8.7). По сигналу “поставить в очередь” на входе WE (разрешение записи – write enable) записываются данные с шины DI в тот регистр, номер которого хранится в счетчике хвоста очереди СТхв. Разрешение записи на соответствующий регистр поступает через дешифратор DCW. По срезу сигнала “поставить в очередь” выходной код счетчика хвоста увеличивается на 1, подготавливая адрес записи для очередного сигнала поставить в очередь. При поступлении сигнала извлечь из очереди на выходной шине D0 появляется слово, хранящееся в том регистре памяти, номер которого задан кодом счетчика головы очереди СТГОЛ. По срезу сигнала выходной код счетчика увеличивается на 1,
Рис. 8.7. Структура буферного регистра типа “очередь“
подготовив для выдачи следующее слово, стоящее теперь первым в очереди.
Переполнение счетчика хвоста очереди осложнений не вызовет, т. к. после максимально возможного кода счетчика все единицы в нем автоматически появится код все нули. Очередь в своем кольце просто переползет через нулевую отметку счетчика. Так же со временем переползет и “голова”. В процессе нормальной работы очередь двигается в кольце значений адресов по часовой стрелке, хвостом вперед, удлиняясь или укорачиваясь в соответствии с флуктуациями активности передатчика. Перед началом работы оба счетчика сбрасываются в нуль.
Однако могут возникнуть две особых ситуации, о которых буфер должен сигнализировать: первая – буфер полон, тогда в него нельзя больше записывать и нужно приостановить передатчик; вторая – буфер пуст, тогда из него нельзя брать данные, и нужно приостановить приемник. Обе ситуации возникают при равенстве показаний обоих счетчиков (головы и хвоста).
Этот признак выявляет компаратор. Если коды на выходе счетчиков стали равны после очередного извлечения из очереди, то очередь иссякла и буфер пуст. Если они стали равны после очередной постановки в очередь, то буфер полон. Характер последнего обращения к буферу запоминается в RS-триггере. Сигналы, информирующие устройство управления об особых состояниях буфера, получаются как конъюнкция того или иного состояния триггера и признака равенства показаний счетчиков головы и хвоста.
Другим, часто используемым буфером, является буфер типа “магазин”, или стек (stack), или буфер LIFO (last in – first out) – последний вошедший первым выходит. Один из вариантов реализации буфера представлен на рис. 8.8. В отличие от нормальной очереди здесь в качестве первого кандидата на обслуживание выбирается то слово, которое встало в очередь последним. Стековые структуры данных возникают в цифровых устройствах, когда процесс выполнения менее срочного задания прерывается более срочным и все данные, связанные с прерванной работой, засылаются на временное хранение в буфер типа “магазин”. Выполнение срочного задания может быть прервано поступлением сверхсрочного и т. д.
Рис. 8.8. Схема буферного регистра типа “магазин”
Основу буферного регистра “магазин” также составляют набор регистров памяти и счетчик адреса. В отличие от буфера “очередь” здесь счетчик должен быть реверсивным. Он должен уметь прибавлять 1 при поступлении команды “Заслать в стек (push)” и вычитать 1 при команде “Извлечь из стека (pop)”. Диаграмма использования адресов (рис. 8.9) показывает, что адрес, по которому производится засылка очередного слова в стек, всегда на единицу больше адреса регистра, из которого читается слово.
Рис. 8.9. Диаграмма использования адресов буферного регистра “магазин”
Последовательность операций в регистровой памяти при записи и считывании информации в простейшем случае следующая.
При поступлении команды «Заслать в стек» происходит запись информации в регистр, на адрес которого указывает содержимое счётчика СТ. После этого происходит увеличение содержимого счётчика (адреса регистра) на 1.
При поступлении команды «Извлечь из стека» содержимое счётчика (адрес регистра) уменьшается на 1. После этого происходит извлечение информации из регистра, на адрес которого указывает содержимое счётчика СТ (новый адрес регистра).
Буферный регистр “магазин”, как и буфер типа “очередь”, также имеет два особых состояния: «буфер полон» и «буфер пуст». Эти состояния обнаруживаются по содержимому реверсивного счётчика СТ. Состоянию «буфер полон» соответствует содержимое счётчика 111…1, которое индицируется элементом И. При этом, запись в буфер запрещена. Состоянию «буфер пуст» соответствует содержимое счётчика 000…0, которое индицируется элементом НЕ-И. При этом считывание из буфера запрещено.
Рассмотренный вариант аппаратной реализации регистра типа “магазин” не является единственным. Можно использовать другие виды памяти. Например, буфер типа “магазин” может быть реализован на основе сдвигающих регистров. Выбор варианта делается на основе оценки получаемых временных параметров и аппаратурных затрат.
2.2. Повторители и буферы
Повторители и буферы отличаются от инверторов прежде всего тем, что они не инвертируют сигнал (правда, существуют и инвертирующие буферы). Зачем же тогда они нужны? Во-первых, они выполняют функцию увеличения нагрузочной способности сигнала, то есть позволяют подавать один сигнал на много входов. Для этого имеются буферы с повышенным выходным током и выходом 2С, например ЛП16 (шесть буферных повторителей). Во-вторых, большинство буферов имеют выход ОК или ЗС, что позволяет использовать их для получения двунаправленных линий или для мультиплексирования сигналов. Поясним подробнее эти термины.
Рис. 2.6. Двунаправленная линия.
Под двунаправленными линиями понимаются такие линии (провода), сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов (рис. 2.6). Понятно, что двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов ОК или ЗС. Поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.
Мультиплексированием называется передача разных сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются (переводятся в пассивное состояние). В отличие от двунаправленной линии к мультиплексированной линии, построенной на основе буферов, может быть подключен всего лишь один вход, но обязательно несколько выходов с ОК или ЗС (рис. 2.7). Мультиплексированные линии могут строиться не только на буферах, но и на микросхемах мультиплексоров, которые будут рассмотрены в главе 3.
Рис. 2.7. Однонаправленная мультиплексированная линия на основе буферов.
Примером буферов с выходом ОК является микросхема ЛП17 (шесть буферов о ОК). Точно так же, как и в случае инверторов с ОК (см. рис. 2.5), выходы нескольких буферов с ОК могут объединяться для получения функции «Монтажное И», то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при единицах на всех входах (рис. 2.8). То есть реализуется много-входовой элемент И (см. раздел 2.3).
Буферы с выходом ЗС представлены гораздо большим количеством микросхем, например: ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, АП14. Эти буферы обязательно имеют управляющий вход EZ (или ОЕ), переводящий выходы в третье, пассивное состояние. Как правило, третьему состоянию соответствует единица на этом входе, а активному состоянию выходов — нуль, то есть сигнал EZ имеет отрицательную полярность.
Рис. 2.8. Объединение выходов буферов с ОК.
Буферы бывают однонаправленные или двунаправленные, с инверсией сигналов или без инверсии сигналов, с управлением всеми выходами одновременно или с управлением группами выходов. Все это и определяет большое разнообразие микросхем буферов.
Таблица 2.2. Таблица истинности буфера без инверсии
Простейшим однонаправленным буфером без инверсии является микросхема ЛП8 (четыре буфера с выходами типа ЗС и раздельным управлением). Каждый из четырех буферов имеет свой вход разрешения EZ. Таблица истинности буфера очень проста (табл. 2.2.): при нулевом сигнале на входе управления выход повторяет вход, а при единичном — выход отключен. Эту микросхему удобно применять для обработки одиночных сигналов, то есть для повторения входного сигнала с возможностью отключения выхода.
Рис. 2.9. Применение буфера с выходом ЗС в качестве буфера с ОК.
Эти же буферы иногда удобно использовать для замещения буферов с выходом ОК (рис. 2.9). В этом случае вход управления служит информационным входом. При нуле на входе мы получаем нуль на выходе, а при единице на входе — третье состояние на выходе.
Очень часто надо обрабатывать не одиночные сигналы, а группы сигналов, например сигналы, передающие многоразрядные коды. В этом случае удобно применять буферы с групповым управлением, то есть имеющие один вход разрешения EZ для нескольких выходов. Примерами могут служить микросхемы ЛП11 (шесть буферов, разделенные на две группы: четыре и два буфера, для каждой из которых имеется свой вход управления) и АП5 (восемь буферов, разделенные на две группы по четыре буфера, каждая из которых имеет свой вход управления).
Рис. 2.10. Мультиплексирование двух входных кодов с помощью буферов с выходом ЗС.
На рис. 2.10 показан пример мультиплексирования двух восьмиразрядных кодов с помощью двух микросхем АП5. Одноименные выходы обеих микросхем объединены между собой. Пропускание на выход каждого из двух входных кодов разрешается своим управляющим сигналом (Упр.1 и Упр.2), причем должен быть исключен одновременный приход этих двух сигналов, чтобы не было конфликтов на выходах.
Двунаправленные буферы в отличие от однонаправленных позволяют передавать сигналы в обоих направлениях. В зависимости от специального управляющего сигнала Т (другое обозначение — BD) входы могут становиться выходами и наоборот — выходы входами. Обязательно имеется и вход управления третьим состоянием EZ, который может отключить как входы, так и выходы.
Рис. 2.11. Включение двунаправленного буфера.
На рис. 2.11 для примера показан двунаправленный буфер АП6, который может передавать данные между двумя двунаправленными шинами А и В в обоих направлениях. При единичном уровне на управляющем входе Т (сигнал Напр.) данные передаются из шины А в шину В, а при нулевом уровне — из шины В в шину А (табл. 2.3). Единичный уровень на управляющем входе -EZ (сигнал Откл.) отключает микросхему от обеих шин.
Таблица 2.3. Таблица истинности двунаправленного буфера
Двунаправленную передачу можно организовать и на основе однонаправленных буферов. На рис. 2.12 показано, как это можно сделать на двух микросхемах АП5. Здесь при нулевом сигнале Упр.1 информация будет передаваться с шины А на шину В, а при нулевом сигнале на входе Упр.2 — с шины В на шину А. Если оба входа Упр.1 и Упр.2 находятся в единичном состоянии, то шины А и В отключены друг от друга, а подача нулей на оба входа Упр.1 и Упр.2 должна быть исключена, иначе состояние обеих шин А и В будет не определено.
Микросхемы буферов в отечественной системе обозначений имеют разнообразные обозначения: ЛН, ЛП, АП, ИП (например ЛН6, ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, ИП5, ИП6), что порой затрудняет их выбор. Буферы с буквами ЛН имеют инверсию, буферы АП и ИП могут быть с инверсией, а могут быть и без инверсии. Все параметры у буферов довольно близки, отличие — в инверсии, в количестве разрядов и в управляющих сигналах.
Рис. 2.12. Организация двунаправленной передачи с помощью однонаправленных буферов.
Временные параметры буферов включают помимо задержки сигнала от информационного входа до информационного выхода также задержки перехода выхода в третье состояние и из третьего состояния в активное состояние (tpHz, tpLz и tpzH, tpzb). Величины этих задержек обычно примерно вдвое больше, чем величины задержек между информационным входом и выходом.
Отключаемый выход буферов (как ОК, так и ЗС) требует применения нагрузочных резисторов. В противном случае вход, подключенный к отключенному выходу, оказывается подвешенным, в результате чего схема может работать неустойчиво, давать сбои. Подключение резистора в случае выхода OK (pull up) производится стандартным способом (см. рис. 2.8). Точно так же может быть включен резистор между выходом ЗС и шиной питания (рис. 2.13), тогда при отключенном выходе на вход будет поступать уровень логической единицы. Однако можно включить и резистор между выходом и землей, тогда при отключенном выходе на вход будет поступать сигнал логического нуля. Применяется также и включение двух резисторов (резистивного делителя), при этом номинал (сопротивление) верхнего резистора (присоединенного к шине питания) обычно выбирается в 2-3 раза меньше, чем нижнего резистора (присоединенного к «земле»), а величина сопротивления двух параллельно соединенных резисторов выбирается равной примерно 100 Ом. Например, резисторы могут иметь номиналы 240 Ом и 120 Ом, 360 Ом и 130 Ом. В данном случае отключенный выход воспринимается присоединенным к нему входом как единица.
Рис. 2.13. Включение резисторов на выходе буферов ЗС.
Иногда к выходам ЗС резисторы не присоединяют вообще, но в этом случае надо обеспечить, чтобы последующий вход воспринимал сигнал с выхода ЗС (то есть реагировал на него) только тогда, когда выход находится в активном состоянии. Иначе возможны сбои и отказы в работе устройства.
Рис. 2.14. Применение буферов для индикации.
Еще одно типичное применение буферов, связанное с их большими выходными токами — это светодиодная индикация. Светодиоды могут подключаться к выходу буферов двумя основными способами (рис. 2.14). При первом из них (слева на рисунке) светодиод горит, когда на выходе ЗС или 2С сигнал логической единицы, а при втором (справа на рисунке) — когда на выходе ОК сигнал логического нуля. Сопротивление резистора выбирается исходя из характеристик светодиода, но обычно составляет порядка 1 кОм.
Что такое цифровой буфер
Что такое умная зарядка (Smart charging) Умная или интеллектуальная зарядка (Smart charging) — это система, в которой электромобиль, зарядная станция и зарядное приложение обмениваются данными.… Подробнее » Что такое умная зарядка
Что такое цифровой буфер
- автор: admin
- 28.07.2023
Цифровой буфер — Digital buffer A цифрового буфера (или буфера напряжения ) — это элемент электронной схемы, который используется для изоляции входа от выхода, обеспечивая… Подробнее » Что такое цифровой буфер
Что такое хэндовер в сотовой связи
- автор: admin
- 28.07.2023
Хэндовер — Handover В сотовой телекоммуникации термины хэндовер или передача обслуживания относится к процессу передачи текущего вызова или сеанса данных из одного канала, подключенного к… Подробнее » Что такое хэндовер в сотовой связи
Что такое частота сигнала простым языком
- автор: admin
- 28.07.2023
Что такое частота сигнала и в каких единицах она измеряется? Частота — физическая величина, характеристика периодического процесса, равна количеству повторений в единицу времени. Гц. Какая… Подробнее » Что такое частота сигнала простым языком
Что такое фрирайд на велосипеде
- автор: admin
- 28.07.2023
Фрирайд велосипед – укроти энергию свободы Сколько существует велосипедистов, столько насчитывается и стилей катания. Одним по нраву скорость, другим неспешный каденс с остановками на сэлфи,… Подробнее » Что такое фрирайд на велосипеде