НАЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА ТИПОВЫХ УСТРОЙСТВ

При проектировании устройств, узлов, систем автоматики и вычислительной техники за основу создаваемых изделий берутся типовые устройства, выполняющие наиболее распространенные функциональные преобразования. Эти устройства образуют современный элементный базис. Показатели проектируемых более сложных устройств и систем зависят от того, насколько полно использованы в проекте возможности упомянутого базиса.

Разработчик технических средств автоматики должен в совершенстве знать арсенал наиболее распространенных типовых устройств: хранящие регистры (фиксаторы цифровой информации), используемые для временного, оперативного или буферного хранения; сдвиговые регистры, используемые для хранения и формирования последовательных кодов; счетчики и пересчетные устройства, используемые широко для счета продукции, времени, команд, для формирования натурального ряда чисел, для организации цифровых делителей частоты; дешифраторы, позволяющие по предъявляемому числу выбирать позицию (возбуждать сигнал) в пространстве; шифраторы, используемые для формирования кода (числа), соответствующего позиции (возбужденному сигналу) в пространстве; распределители, используемые для последовательного во времени возбуждения выходных сигналов синхронно с входным сигналом; мультиплексоры, позволяющие обеспечить подсоединение одного из нескольких источников информации ко входу общего приемника; демультиплексоры, позволяющие выбрать один из нескольких приемников информации и подсоединить его вход к выходу общего источника; компараторы, позволяющие сравнить два числа; выявители четности (нечетности) числа единиц в слове, позволяющие контролировать это слово по признаку четности или формировать признак четности, необходимый для последующего контроля; сумматоры; множительные устройства; шинные приемопередатчики с тремя состояниями выхода, используемые для организации полудуплексного режима обмена информацией между общей шиной и устройством.

Понимание упомянутых функций и свободное творческое владение ими при композиции и декомпозиции сложных структур совершенно необходимы современному специалисту в области технических средств автоматики. Эти навыки одинаково полезны при использовании функциональных устройств, составленных из более простых, конструктивно разделяемых элементов, и при использовании стандартных, конструктивно неделимых устройств среднего уровня интеграции (СИС) [4].

Полагаясь на знакомство читателя с элементами и основами автоматики и вычислительной техники, рассмотрение перечисленных устройств будем далее вести по следующей общей схеме: назначение, разновидности, особенности организации структуры устройства, характерные примеры применения и особенности организации систем, использующих рассматриваемое функциональное устройство.

Регистр предназначен для хранения n-разрядного слова. В самом общем случае в регистре возможно выполнение микроопераций гашения (записи нулей), ввода (записи) входного слова X = (х₁, х₂, ..., х_п), вывода (чтения) выходного слова Y = (у₁, у₂, ..., у_п). Между микрооперациями ввода, вывода, гашения осуществляется пассивное хранение (память). Длительность хранения произвольна при соблюдении нормальных условий эксплуатации.

Различие регистров по разрядности и по системе счисления носит чисто количественный характер. На базе двоичных регистров могут быть получены иные регистры за счет соответствующего объединения двоичных регистров.

Организация структуры регистра зависит от типа запоминающих элементов (триггеры, магнитные сердечники, реле). Общими являются вопросы организации ввода, вывода информации. Здесь возможны следующие разновидности структур: ввод или вывод осуществляется в двоичном или в парафазном коде (наличие выводов прямого и инверсного кода), регистр как функциональный модуль содержит или не содержит схемы управления вводом, выводом. Если управление вводом организовано в регистре, то запись слова X возможна лишь при появлении сигнала на соответствующем управляющем входе. Этот сигнал воздействует на внутренние вентили, обеспечивающие соединение входов регистра с входами его запоминающих элементов. При такой структуре регистры могут подключаться своими входами к общим шинам без дополнительных устройств коммутации (селекции). Если управление выводом осуществлено в регистре, то по специальному управляющему сигналу выходы запоминающих элементов подсоединяются через внутренние вентили к выходам регистра. В таком случае выходы Y нескольких регистров подключаются к общей шине без дополнительных узлов коммутации. Если структура регистра не обеспечивает их селекции по входам, выходам, эти функции выполняются внешними устройствами типа мультиплексоров, демультиплексоров, а также специальными приемопередатчиками.

Характерными примерами использования регистров являются: организация задержки во времени; организация регистров обмена (ввод и вывод цифровой информации) между ЭВМ и объектом управления; использование в узлах управления в качестве регистров команд, микрокоманд; организация оперативных регистров в специализированных устройствах и системах автоматики при использовании параллельных по разрядам методов преобразования цифровой информации. Последний из указанных примеров использования регистров типичен для устройств и систем автоматики с малым объемом обрабатываемой информации (единицы – десятки слов), когда объединение всех регистров в общее оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) экономически нецелесообразно. Затраты на организацию адресной, разрядной систем, узла управления ОЗУ оказываются более высокими, чем экономия от замены автономных регистров ячейками ОЗУ. Переход к централизованному ОЗУ становится оправданным лишь при kc_p > c_oзy, где k – число оперативных автономных n-разрядных регистров проектируемой системы; с_р – условные затраты, соответствующие одному автономному регистру в системе; с_oзу – условные затраты на ОЗУ емкостью более kn бит с быстродействием, удовлетворительным для проектируемой системы.

Характерные примеры использования регистров и иных типовых устройств содержатся в обобщенном примере специализированной системы автоматики, рассмотренной в конце настоящего параграфа.

Сдвиговые регистры позволяют сдвигать хранимое в них слово, т.е. осуществлять передачу информации из данного разряда в соседний одновременно, во всех разрядах регистра. При сдвиге вправо (в сторону младших разрядов) информация переписывается из i-го в (i – 1)-й разряд, при сдвиге влево – из i-го в (i + 1)-й разряд.

Разновидности сдвиговых регистров определяются используемой системой счисления; наличием операции сдвига в обоих направлениях (реверсивные сдвиговые регистры) или только в одном из них.

Особенности структуры сдвиговых регистров связаны, как и у хранящих регистров, с решением задач ввода, вывода параллельного кода. Дополнительно должен быть учтен ввод, вывод последовательных кодов (с крайнего разряда). При решении последнего вопроса в структуру сдвигового регистра вводятся специальные вентили. В соответствии с управляющими сигналами осуществляется либо сдвиг по кольцу (из крайнего разряда в крайний), либо запись нового последовательного кода через крайний разряд, либо гашение (запись нулей в крайний разряд). Особо отметим организацию структуры сдвигателя, используемого при необходимости осуществлять за один цикл сдвиг хранимого слова сразу на т разрядов. Такая задача может быть решена структурой, содержащей два хранящих регистра, соединенных через мультиплексор. Входы разных каналов мультиплексора подключают к выходам одного регистра с требуемым смещением (например, на т разрядов). Число каналов мультиплексора определяется количеством сдвигов на разное число разрядов. Выходы мультиплексора подключаются ко входам регистра-приемника.

Характерные примеры использования сдвиговых регистров: преобразование параллельного кода в последовательный (передатчик цифровой информации по одной линии связи, последовательные устройства преобразования информации); преобразование последовательного кода в параллельный (приемник цифровой информации из линии связи); формирование специальных кодов за счет введения жестких или управляемых обратных связей между промежуточными разрядами сдвигового регистра (например, в управляющих автоматах). Особое внимание следует обратить на структуру устройств с последовательным преобразованием. Ее основными частями являются: поставщик последовательных кодов (сдвиговые регистры, одноразрядное ЗУ); одноразрядный преобразователь (сумматор, счетчик, логический преобразователь); устройство управления, координирующее работу остальных частей. Организация систем (устройств) автоматики с последовательным преобразованием информации используется при достаточном ресурсе времени с целью экономии аппаратурных затрат.

Дешифратор предназначен для выбора одного из N выходов (выходной код Y) в соответствии с входным n-разрядным кодом X. Входной код чаще всего представлен в позиционной системе счисления с основанием r. Число возможных значений входного кода для полных дешифраторов соответствует rⁿ (для двоичных полных дешифраторов 2ⁿ).

Разновидности дешифраторов определяются принятой системой счисления для входного кода X и числом допустимых значений входного кода. При N = rⁿ дешифратор является полным (для двоичных N = 2ⁿ). Для неполных дешифраторов N < rⁿ.

Для малых N характерна структура одноступенчатых дешифраторов. Дешифратор содержит входной инвертор (или дополняется регистром). Тем самым обеспечиваются прямые и инверсные значения разрядов входного кода X, Дешифрация осуществляется с помощью n-входовых схем И, каждая из которых реализует конъюнкцию где означает, что сомножитель x_j может быть в прямом или инверсном виде (например, а Для больших N используются структуры многоступенчатых дешифраторов. На входы дешифраторов первой ступени подается часть разрядов n_i входного кода X. Число выходов дешифратора первой ступени дешифрации . На входы дешифраторов второй и более высокой ступени подаются коды Y_i с выходов двух дешифраторов предшествующей ступени дешифрации. Поэтому для их построения достаточно двухвходовых ячеек И. Основные аппаратурные затраты приходятся на долю наиболее высокой ступени дешифрации и составляют N = 2ⁿ двухвходовых ячеек И. При организации диодных матриц дешифрации вместо одной ячейки И используется диодный переход.

Характерными примерами использования дешифраторов являются: дешифраторы оперативных и постоянных запоминающих устройств с произвольной выборкой; дешифраторы кода операции в составе узлов управления ЭВМ; дешифраторы в системах автоматики и телемеханики для выбора устройства по его номеру (например, выбор датчика в многоканальной информационно-измерительной системе); неполные дешифраторы двоично-десятичного кода в десятичный (например, в устройствах цифровой индикации).

Для выполнения функции, обратной дешифрации, служат шифраторы. С их помощью сигналу на одном из входов ставится в соответствие выходной код. Простейшие шифраторы строятся исходя из предположения, что сигнал присутствует лишь на одном из N входов (позиционный код один из N). Сигналу на одном из N входов соответствует n-разрядный код на выходе. Соотношения между N и п для полных и неполных шифраторов аналогичны соотношениям в дешифраторах.

Основу шифраторов составляют ячейки ИЛИ, подключаемые входами ко входам шифратора, а выходами – к его выходам. Применяется одноступенчатое и многоступенчатое (каскадное) включение ячеек ИЛИ. Одной из структурных разновидностей шифраторов является шифратор приоритетов. В нем каждому из входов соответствует свой приоритет. Возможно наличие сигналов на нескольких входах одновременно. При этом на выходе шифратора формируется код, соответствующий входу с самым высоким приоритетом.

Характерными примерами использования шифраторов являются: шифраторы для сегментных индикаторных ламп десятичной индикации, с помощью которых десятичной цифре ставится в соответствие набор светящихся на индикаторе сегментов; формирование командных сигналов типа «включить», «отключить» на объекте управления, например, в функции времени; организация логических преобразователей со структурой дешифратор-шифратор. В последнем примере используются табличные методы логических преобразований. Логическая функция п аргументов может быть представлена в нормальной дизъюнктивной форме. Сочетанию входных двоичных аргументов, поступающих на вход дешифратора (одному слагаемому), соответствует сигнал на одном выходе этого дешифратора. Выход дешифратора подсоединен ко входу шифратора. На выходе шифратора возникает единица, если при данном наборе аргументов функция равна единице. Число выходов шифратора соответствует числу реализуемых логических функций от общих п двоичных аргументов.

Счетчики позволяют организовать счет входных сигналов с хранением результата. С точки зрения структурной организации счетчик можно трактовать как хранящий регистр, дополненный операцией прибавления или вычитания единицы. Поэтому к организации ввода, вывода чисел следует подходить так же, как для регистра.

Разновидности счетчиков определяются системой счисления (максимальное число в счетчике r^п – 1, где r – основание системы счисления); наличием или отсутствием управляемых цепей ввода, вывода числа; направлением счета (наиболее универсальные счетчики реверсивны, т.е. позволяет прибавлять и вычитать единицу).

Чаще всего счетчик образуется посредством последовательного включения триггеров со счетным входом. На выходах крайнего разряда формируются сигналы переноса в следующий (п + 1)-й разряд или займа из (п + 1)-го разряда. Эти выходы используются либо при наращивании числа разрядов счетчика, либо при выявлении перехода счетчика через нуль. В зависимости от требований к быстродействию счетчики выполняются с последовательным, сквозным, одновременным переносом. Известна организация счетчиков, работающих в коде один из р и выполненных на сдвиговых регистрах, в каждом из которых одна единица сдвигается по кольцу. На сдвиговый вход регистра поступают сигналы с выхода крайнего разряда предыдущего регистра. Следует также иметь в виду возможность организации счетчика как устройства последовательного действия. В таких структурах для образования последовательного кода используются сдвиговые регистры либо одноразрядные запоминающие устройства. Прибавление единицы к числу производится здесь последовательно по разрядам в одной общей одноразрядной схеме счета при условии, что частота входных импульсов достаточно мала, чтобы между двумя соседними импульсами счета можно было успеть выполнить последовательную обработку всех разрядов накапливаемого числа. При организации многоканального счета (счет сигналов от нескольких источников) вместо нескольких (по числу каналов счета) счетчиков возможно использование одного общего счетчика и несколько хранящих регистров, селективно подключаемых к общему счетчику. Ресурс времени должен быть достаточен для последовательной обработки всех чисел с помощью одного счетчика как узла общего назначения.

Наиболее типичные примеры использования счетчиков: пересчетные схемы как цифровые делители частоты с коэффициентом пересчета r^п (в пересчетных схемах используются лишь выходы переноса, займа, крайних разрядов; аппаратура для параллельного ввода кода X и вывода кода Y не используется); формирование натурального ряда чисел с помощью счетчиков команд, операндов, микрокоманд; формирование заданного числа циклов в вычислительных и управляющих системах; счет меток времени в различных таймерных устройствах; счет изделий; преобразование заданного параллельного кода в число импульсов, например, в цифровых позиционных следящих системах; формирование кода обратной связи при использовании импульсных датчиков; преобразование числа в интервал времени и обратно, в частности при частотных измерениях и преобразованиях код – аналог, аналог – код через временной интервал.

Распределители позволяют по очередному сигналу на входе формировать сигнал на очередном из N выходов, т.е. при последовательном поступлении N входных сигналов производить поочередное формирование сигналов на каждом из N выходов. Распределитель может быть организован одним из трех способов: как специальное устройство (например, шаговый искатель); на базе N-разрядного сдвигового регистра с единицей в одном разряде; с использованием структуры счетчик – дешифратор. При втором способе требуется не менее N триггерных ячеек, и применяется он при относительно небольших N (десятки). Третий способ применяется при больших N, и аппаратурные затраты в этом случае определяются главным образом высшей ступенью дешифрации. Затраты оборудования на один выход дешифратора меньше затрат на один разряд сдвигового регистра.

Характерные примеры использования распределителей: организация поочередного выбора N устройств, например датчиков в информационно-измерительных системах; управление шаговыми двигателями; подключение выхода или входа устройства общего назначения (линия связи, преобразователь аналог – код, код – аналог) ко входам нескольких приемников или к выходам нескольких источников информации. Более сложные распределители, допускающие изменение формируемой последовательности сигналов в зависимости от контролируемых сигналов, используются в узлах управления (микропрограммных, программных автоматах).

Особое место в арсенале современных средств управляющей вычислительной техники занимают мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексоры используются для подключения выхода одного, выбираемого из нескольких, источника ко входу общего приемника. При общем источнике информации и нескольких приемниках подключение входа одного выбираемого приемника к выходу источника осуществляется с помощью демультиплексора.

Мультиплексоры (демультиплексоры) содержат адресные входы, на которые поступает номер выбираемого источника (приемника). Число адресных шин п_a = log₂k, где k – число выбираемых источников (приемников). Существуют мультиплексоры (демультиплексоры) с одним или несколькими разрядами на выходе (входе). В последнем случае в источник (приемник) в соответствии с адресом выбираемого канала поступает n-разрядное слово, где п – число разрядов в одном канале мультиплексора (демультиплексора).

Организация структур с использованием мультиплексоров и де-мультиплексоров и примеры их применения соответствуют прямому назначению этих типовых устройств. Следует отметить мультиплексоры и демультиплексоры аналоговых сигналов. Требование точной коммутации аналоговых сигналов удовлетворяется в них за счет использования выходных МОП-ключей.

При организации различных устройств и систем все большее применение получают узлы с тремя устойчивыми состояниями. Особенность такого выходного ключа хорошо воспринимается на примере его контактного эквивалента. Два контакта включены последовательно. Выходом является их средняя точка. Крайние точки подключены к различным шинам источника питания. Два устойчивых состояния соответствуют единице и нулю при замыкании одного и размыкании другого контакта. Третье используемое состояние соответствует размыканию обоих контактов. В этом случае выход полностью отключается от соответствующей ему шины. Такие ключи хорошо реализуются на КМОП-приборах. Устройства с тремя состояниями широко используются в качестве приемопередатчиков для организации полудуплексного режима между устройством и общей шиной, а также в специальных высоковольтных формирователях со свободным коллектором. В приемопередатчиках благодаря указанному свойству общая шина либо совсем отключена от данного устройства, либо подключена к выходам устройства (вывод из устройства на общую шину), либо подключена к входам устройства (ввод от общей шины в устройство). Это позволяет по одним и тем же шинам производить и прием информации и передачу и тем самым приводит к уменьшению контактов в корпусах интегральных схем. Отметим также возможность реализации функции ИЛИ за счет прямого объединения выходов устройств с тремя устойчивыми состояниями (без специальных ячеек ИЛИ).

К простейшим типовым устройствам следует отнести также сумматоры, множительные устройства, устройства сравнения кодов (компараторы), устройства контроля четности числа единиц в слове. Назначение этих устройств ясно из приведенных наименований. Всё они допускают агрегатирование до требуемого числа разрядов.

На рис. 5 приведен пример структурной организации системы управления. В нем содержатся структурные решения, характерные для различных систем автоматики и вычислительной техники. При этом наглядно иллюстрируется характерное использование рассмотренных в настоящем параграфе типовых устройств.

Взаимодействие узлов обеспечивается устройством управления УУ. Заявки 3 на выполнение различных задач, решаемых системой, поступают от объекта управления или от оператора на вход шифратора приоритетов ШП. Номер старшей из поступивших заявок (заявка с самым высоким приоритетом) формируется на выходе ШП. Этот номер и определяет реализуемую в УУ задачу.

Память системы организована на k автономных регистрах Р1 ¸ Pk. Требуемые преобразования реализуются программно с помощью общего сумматора S и двух входных, регистров РА, РВ. Различные устройства системы по входам, выходам связаны общей шиной ОШ. С помощью мультиплексора MI по адресу канала AMI к ОШ может быть подключен выход одного из регистров Р1¸ Pk, выход S или выход шифратора констант ШК. Номер константы задается из УУ и поступает на вход дешифратора номера константы ДК. Код из ОШ может быть принят в один из регистров Р1 ¸ Pk, PA, PB. Выбор одного из регистров как приемника информации из ОШ осуществляется с помощью внутренних вентилей этих регистров. Один из оперативных регистров Р1¸ Pk выбирается в качестве приемника с помощью дешифратора адреса регистра ДАР.

Через приемопередатчик ПП общая шина ОШ подключается к устройствам сопряжения с объектом управления. В зависимости от управляющего сигнала в ПП происходит либо вывод информации от ОШ на демультиплексор ДМ, либо ввод информации на ОШ от мультиплексора М2. В зависимости от адреса канала демультиплексора АДМ слово из ОШ поступает либо на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, либо в счетчик Сч1, либо на сдвиговый регистр СР1. В зависимости от адреса канала мультиплексора АМ2 ко входу ПП подключается выход либо аналого-цифрового преобразователя АЦП, либо сдвигового регистра СР2, либо счетчика Сч2.

Рис. 5. Пример структуры на базе простых типовых устройств

В рассматриваемом примере предполагается, что на объект управления необходимо выводить т сигналов в виде напряжения постоянного тока; импульсную последовательность, в которой число импульсов изменяется в соответствии с одним из чисел на ОШ; последовательный код, соответствующий одному из слов на ОШ. В качестве контрольной информации от объекта управления необходимо принимать в систему управления один сигнал в виде напряжения постоянного тока; последовательный код от одного из датчиков на объекте управления; импульсную последовательность с изменяющимся числом импульсов (например, от импульсного датчика положения).

Сигналы в виде т напряжений постоянного тока формируются с помощью общего централизованного ЦАП. Входные коды от ОШ через ПП, ДМ поступают циклически. Получаемый с выхода ЦАП сигнал подключается в синхронном режиме к одному из т фиксаторов постоянного напряжения Ф1 ¸ Фт. Фиксатор Фi выполняет роль аналогового запоминающего устройства. Коммутация напряжения с выхода ЦАП на входы Ф1 ¸ Фт осуществляется коммутатором К, управляемым от распределителя Рас (обычно К реализуется на МОП-ключах).

Выходная импульсная последовательность с требуемым числом импульсов формируется с помощью счетчика Сч1 и ключа Кл. Число от ОШ через ПП, ДМ параллельным кодом записывается в Сч1. При этом замыкается Кл и импульсы начинают поступать на выход. Каждый выходной импульс поступает на счетный вход в Сч1 (–1). При переходе Сч1 через нуль ключ Кл размыкается. Импульсы на выходе прекращаются. Выходной последовательный код формируется с помощью СР1. В этом случае сдвиговый регистр используется как преобразователь параллельного кода в последовательный.

Принимаемый от объекта контрольный сигнал в виде напряжения постоянного тока преобразуется в параллельный код с помощью АЦП. Получаемый код через М2, ПП поступает на ОШ. Входной последовательный код преобразуется в параллельный с помощью сдвигового регистра СР2. Входная импульсная последовательность поступает на счетный вход (+ 1) счетчика Сч2. Получаемый параллельный код с выхода Сч2 поступает через М2, ПП на ОШ.