Выходной каскад логического элемента

Типы логических элементов

Логический элемент представляет собой устройство, предназначенное для обработки информации в цифровой форме.

                               входы A           выход

                                              B    

1. Инвертор (НЕ)

 

 

2. Логическое умножение (И)

                                               А 0 1 0 1

                                               В 0 0 1 1     

                                               Вых. 0 0 0 1

3. Логическое сложение (ИЛИ)

                                               А 0 1 0 1

                                               В 0 0 1 1

                                               Вых. 0 1 1 1

4. Исключающее (ИЛИ НЕ)

                                               А 1 0 1 0

                                               В 0 1 1 0

                                               Вых. 1 1 0 0

 

Принцип работы выходного каскада логического элемента

На рисунке представлена схема простейшего логического элемента.

Логический элемент имеет в своём составе 2 ключа К₁ и К₂. Роль ключей выполняют 2 транзистора – Т₁ и Т₂. Ток идёт в момент фронта импульса (т.е. переключения транзисторов) – таким образом, чем выше тактовая частота генератора, тем больше должно подводиться тока.  Ключи управляются внутренней схемой логического элемента и могут находиться в четырёх возможных состояниях:

1) Замкнут ключ К₁ (открыт транзистор Т₁). В этом случае выход подключён к шине питания. На выходе – логическая единица;

2) Замкнут ключ К₂ (открыт транзистор Т₂). Выход подключен к земле, на выходе – логический ноль;

3) Оба ключа разомкнуты (оба транзистора закрыты). Выход находится в нейтральном (высокоимпедансном) Z-состоянии. Применяется во избежание конкуренции сигналов при параллельном подключении выходов устройств к шинам.

4) Оба ключа замкнуты (оба транзистора открыты). При этом возникает «неисправность второго рода» (возникновение ненужного контакта) – аварийный процесс, при котором логический элемент выходит из строя. Т.е., появляется закорачивание напряжения на 0. Технически, чтобы избежать это состояние, применяется специальные схемотехнические решения, ограничивающие прохождение сквозного тока от плюса к нулю. Но возможна ситуация параллельного включения элементов в цепь. Через транзисторы идет сквозной ток, что приводит к аварийному процессу. Должна сработать защита питания по току, а логические элементы при этом выходят из строя. Но конструкции современных логических элементов исключают подобную ситуацию одновременного открытия обоих выходных транзисторов, а также ограничивают выходной ток логического элемента. Но подобная ситуация возможна при параллельной работе нескольких логических элементов.

 

Конкуренция сигналов

В современных логических элементах выходной каскад имеет защиту от перегрузки по току, исключающую 4-ю комбинацию логического элемента и обеспечивающую некий средний промежуточный потенциал на выходе. Для исключения конкуренции сигналов выходы устройств, адрес которых не установлен, находятся в z-состоянии.

До момента  к выходу подавалась 1 с элемента ЭЛ1. В момент  выход ЭЛ1 был выключен, но включился ЭЛ3 и на шину стал подаваться 0 (т.е. до момента времени  подавался логический 0). В момент  ЭЛ3 не выключен и к шине подключается выход ЭЛ1. За счет ограничений по выходному току элементы из строя не выходят, но ток идет повышенный. На шине возникает промежуточное значение (между 0 и 1) – это состояние называется конкуренцией сигналов. (Возникает тогда, когда 2 и более выходов активны). При этом вход может неадекватно воспринять образовавшийся на шине уровень. Т.е., 0 вместо 1 и 1 вместо 0. Это может повлечь определенные последствия. Чтобы исключить конкуренцию сигналов, каждый элемент ВС имеет свой уникальный номер (адрес) и откликается только на него.

Все устройства вычислительной системы подключаются к процессору параллельно по шине данных (ШД). Выбор устройства, с которым процессор будет осуществлять обмен данными (чтение/запись) осуществляется установкой уникального номера устройства на ША. [для каждого устройства – свой единственный номер; задается адрес устройства ] А также, для процесса обмена необходима подача управляющих сигналов по шине управления (ШУ).

Такой метод обмена позволяет исключить конкуренцию с устройствами, с которыми не производится обмен данными. В качестве устройства может выступать память, а также регистры портов ввода/вывода.