Приложение Б. Элементы
цифровой схемотехники

В полупроводниковых цифровых микросхемах широко ис-
пользуются логические вентили на ТТЛ (TTL) и КМОП
(CMOS) структурах. Внутри сложных микросхем применя-
ются и другие типы ячеек, но они обычно обрамляются внеш-
ними схемами с параметрами ТТЛ- или КМОП-вентилей.
Приведем некоторые свойства этих вентилей, знание кото-
рых полезно для работы с интерфейсами.

Логические микросхемы, применяемые в компьютерах, пи-
таются от постоянного напряжения +5 В, приложенного от-
носительно общего провода - шины GND. В современных
компонентах (процессорах, микросхемах памяти) стремятся
снизить напряжение питания до 3,3 В и ниже.

Существует несколько разновидностей микросхем ТТЛ. Стан-
дартные микросхемы серий 74ххх имеют среднее потребле-
ние и быстродействие 10 нс, их отечественные аналоги - се-
рии К155 и К133. Микросхемы с пониженным потреблением
серии 74Lxxx и их аналоги К134 имеют пониженное быстро-
действие (33 нс). Серии 74Нххх (К131), напротив, имеют по-
вышенную выходную и потребляемую мощность. Микросхемы
с диодами Шотки (ТТЛШ) 74Sxxx (K531) при более высо-
ком, чем у стандартных, энергопотреблении имеют быстро-
действие в три раза выше (3 нс). Серия маломощных микро-
схем ТТЛШ 74LSxxx (K555) при том же быстродействии, что
и у стандартной, потребляет мощность в несколько раз меньше.
Наиболее перспективными являются серии 74Fxxx (KP1531)
с быстродействием 3 нс и 74ALSxxx (KP1533) с быстродей-
ствием 4 нс. При этом потребление у серии ALS (Advanced
Low-Power Schottky) в два раза ниже, чем у серии F (Fast).
Серия ALS хорошо стыкуется с микросхемами КМОП.

В ТТЛ-логике различают входы, выходы (обычные, триста-
бильные и с открытым коллектором) и двунаправленные
выводы.

12 Зак.№530

Вход ТТЛ воспринимает только логический уровень сигна-
ла. Порог переключения -обычно 1,3-1,4. В. Напряжение
ниже порога воспринимается как низкий уровень, выше -
как высокий. Состояние свободного (ни к чему не подклю-
ченного) входа ТТЛ-микросхемой воспринимается как вы-
сокоуровневое, и на нем высокоомным вольтметром или ос-
циллографом можно наблюдать потенциал 1,3-1,4 В. В таком
состоянии вход является чувствительным к помехам, поэто-
му свободные входы рекомендуют соединять с источником
высокого или низкого логического уровня (в зависимости
от логики работы). Если несколько свободных входов раз-
ных вентилей соединяются вместе, их состояние будет нео-
пределенным: из-за разброса порогов часть из них может
восприниматься как высокий уровень, а часть - как низкий.
В качестве источника высокого уровня часто используют
шину питания +5 В, но вход (или группу входов) подклю-
чают к ней через балластный резистор (1-10 кОм). В каче-
стве низкого уровня используют общий провод (шину GND).
Входной ток зависит от потенциала входа: при низком уровне
ток имеет отрицательное значение (вытекающий ток) поряд-
ка 1,5 мА для стандартных микросхем ТТЛ, при высоком
уровне - положительное (втекающий ток) на уровне десят-
ков микроампер. У микросхем серий S, LS и ALS входные
токи существенно меньше. Входное напряжение, превыша-
ющее значение питающего напряжения, для микросхем ТТЛ
недопустимо - оно может пробить входной вентиль. Кроме
вентилей с обычными входами существуют вентили с триг-
герами Шмитта. У них имеется гистерезис переключения
около 0,8 В, симметричный относительно порога (1,3 В). Эти
элементы используются как приемники сигналов с повышен-
ным уровнем помех.

Обычный выход ТТЛ формирует выходные логические уров-
ни: низкий (ниже 0,4-0,5 В) и высокий (выше 2,4 В). Вы-
ходные уровни при повышении нагрузки (выходного тока)
ухудшаются - приближаются к порогу переключения. Вы-
ходной ток короткого замыкания (КЗ) на землю ограничен
несколькими миллиамперами, поэтому КЗ на землю безо-
пасно для выходов элементов ТТЛ. Выходной ток при КЗ
на шину питания, когда вентиль пытается формировать низ-

кий уровень сигнала, достигает десятков миллиампер и опа-
сен для микросхемы. Если два выхода соединить вместе и
они будут пытаться формировать разные уровни, то в этом
конфликте "победит" выход, формирующий низкий логи-
ческий уровень. Этим свойством иногда пользуются при
построении схем, но это не совсем "законно". Существуют
буферные элементы с повышенной нагрузочной способнос-
тью. Они предназначены для подключения большого коли-
чества входов или цепей с большой емкостной нагрузкой. В
PC таким местом является, например, мультиплексирован-
ная шина адреса динамической памяти.

Выход с открытым коллектором (Open Drive Output) рабо-
тает в качестве ключа, способного коммутировать сигнал на
шину GND. Этот тип выхода способен формировать только
низкий логический уровень, а высокий уровень формируют
с помощью внешнего резистора, "подтягивающего" сигнал
к напряжению питания (Puliup Resistor). Выходы с откры-
тым коллектором разрешается объединять, при этом реали-
зуется функция "монтажное И". Существуют элементы с от-
крытым коллектором, имеющие повышенную нагрузочную
способность как по допустимому выходному току ключа, так
и по допустимому напряжению на закрытом ключе. Они мо-
гут использоваться для управления исполнительными уст-
ройствами (например, реле), индикаторами и т. п.

Тристабильный выход (Tristate Output) кроме формирования
низкого и высокого уровней может быть переведен в третье,
высокоимпедансное (High-Z State) состояние, в котором вы-
ходной вентиль отключен от вывода. Этот тип выхода пред-
назначен для объединения нескольких источников сигнала
на одной шине. Как правило, не в третьем состоянии может
находиться не более одного из объединяемых источников. В
противном случае на шине будет конфликт, в котором по-
беждает низкий уровень. Вентили с тристабильньш выхо-
дом имеют управляющий вход, который обычно обозначают
ОЕ (Output Enable).

Двунаправленный вывод элемента представляет собой ком-
бинацию входа и тристабильного выхода (или выхода с от-
крытым коллектором). В зависимости от управляющего сиг-
нала этот вывод работает либо как вход, либо как выход.

Логические элементы КМОП отличаются от ТТЛ большим
размахом сигнала (низкий уровень ближе к нулю, высокий -
к напряжению питания), малыми входными токами (почти
нулевыми в статике, в динамике - обусловленными пара-
зитной емкостью) и малым потреблением, однако их быст-
родействие несколько ниже. В отличие от ТТЛ, микросхемы
КМОП допускают более широкий диапазон питающих на-
пряжений. Микросхемы ТТЛ и КМОП взаимно стыкуются,
хотя вход КМОП требует более высокого уровня логичес-
кой единицы, а выход КМОП из-за невысокого выходного
тока можно нагружать лишь одним ТТЛ-входом. Современ-
ные микросхемы КМОП по параметрам приближаются
к ТТЛ серии ALS и хорошо стыкуются с ними. Микросхе-
мы КМОП имеют те же типы выводов, но вместо выхода
с открытым коллектором у них присутствует выход с откры-
тым стоком (что по логике работы одно и то же).

Длина интерфейсных кабелей ограничивается как уровнем
помех на входе, так и создаваемой емкостной нагрузкой на
выходные вентили, в качестве которых рекомендуется при-
менять элементы с повышенной нагрузочной способностью.
Длина кабелей Centronics ограничена несколькими метрами,
в то время как для интерфейса RS-232C допустимы кабели
длиной в десятки метров (сказывается большая разница уров-
ней и зона нечувствительности).

Логические схемы могут быть чисто комбинационными вен-
тилями (Gate), у которых состояние выходов определяется
только текущим состоянием входов, или элементами с па-
мятью. В схемах последнего типа состояние выхода опреде-
ляется предысторией входных сигналов и внутренних состо-
яний. К ним относятся разнообразные триггеры, регистры,
счетчики и т. п. Элементы могут быть асинхронными и син-
хронными. У последних состояние входов стробируется по-
тенциалом или перепадом на специальном входе синхрони-
зации. Следует особо отметить два типа элементов, широко
применяемых в микропроцессорной технике. Регистром
(Register) называют совокупность нескольких запоминающих
элементов, запись в которые производится по общему
управляющему сигналу. Подразумевается, что в регистре ин-
формация воспринимается по перепаду сигнала синхрони-

зации (на рис. Б.1а запись происходит по положительному
перепаду). Защелкой (Latch), или регистром-защелкой, на-
зывают схему, работающую иначе (рис. Б. 16). Здесь при од-
ном состоянии управляющего входа (высоком) регистр "про-
зрачен" - на выходе отражаются изменения на входах, а при
переходе этого сигнала в другое состояние на выходах фик-
сируется состояние, присутствующее к этому моменту. За-
щелки используются для фиксации адреса на шине микро-
процессора, позволяя схемам дешифраторов адреса раньше
начинать работу, тем самым сокращая затраты времени на
дешифрацию адреса. До срабатывания на выходе защелки
возможен "мусор" от переходных процессов на входе, чего
не бывает в регистрах, синхронизируемых по перепаду.

Для того чтобы любая синхронизируемая схема зафиксировала
желаемое состояние, сигналы на входах должны установиться
до синхронизирующего перепада за некоторое время, называ-
емое временем установки TSETUP, и удерживаться после него в
течение времени удержания THOLD. Значение этих парамет-
ров определяется типом и быстродействием синхронизируе-
мой схемы, и в пределе один из них может быть нулевым.

Рис. Б.1. Диаграмма работы регистров:

а - регистр, б - регистр-защелка

Наконец, рассмотрим типовое подключение некоторой функ-
циональной микросхемы (например, 18255 - КР580ВВ55) к
шине ISA, которое хорошо иллюстрирует принципы сопря-
жения устройств микропроцессорной техники (рис. Б.2). Для
сопряжения с микропроцессором имеется шина данных (Data
Bus), шина адреса (Address Bus) и шина управления (Control
Bus). Первые две из них могут использовать одни и те же
физические линии, такое решение называется мультиплек-

сированием шины адреса и данных. Тогда в шине управле-
ния будет присутствовать сигнал, определяющий назначе-
ние шины в данный момент времени. В нашем примере шины
адреса и данных разделены.

Рис. Б.2. Подключение устройства к шине ISA

Подключаемое устройство обычно имеет свой буфер дан-
ных - двунаправленный приемопередатчик, в качестве ко-
торого применяется микросхема 74ALS245 (1533АП6). Бу-
фер должен открываться сигналом ОЕ# (Output Enable -
разрешение выхода), когда на шине адреса присутствует ад-
рес, относящийся к диапазону подключаемого устройства.
"Дежурным" направлением передачи является "от шины -
к устройству"; переключение в обратную сторону произво-
дится по сигналу IORD# шины управления. Таким образом,
буфер имеет право передавать данные на шину (управлять
шиной данных) только во время действия сигнала чтения,
относящегося к зоне адресов данного устройства. Если бы
подключаемое устройство было приписано к пространству
памяти, в логике управления направлением присутствовал
бы сигнал MEMRD#.

Дешифратор адреса предназначен для выявления зоны ад-
ресов, относящейся к подключаемому устройству. Если уст-
ройству требуется более одного адреса, младшие линии ад-
реса (в данном примере - АО и А1) используются для
декодирования адреса внутри устройства. Остальные линии
поступают на вход комбинационной схемы (или програм-
мируемой логической матрицы), которая формирует сигнал

обращения к устройству, называемый CS# (Chip Select). На
шинах ISA срабатывание дешифратора адреса должно бло-
кироваться высоким уровнем сигнала AEN, сигнализирую-
щим о недействительности адреса для порта ввода/вывода
в цикле DMA.

Шина управления представлена сигналами IORD# (чтение
порта), lOWRft (запись в порт) и AEN. Их состав может быть
расширен сигналами обращения к памяти MEMRDft
и MEMWR#, а также сигналами запросов прерываний,
управления каналами прямого доступа и др. Приведенные
четыре сигнала обращения к портам и памяти, используе-
мые в шине ISA, характерны для микропроцессорных на-
боров и периферийных схем 18080. Есть другой набор сиг-
налов - в стиле i8085: сигнал М/10# определяет, к чему
относится обращение - к памяти (М) или вводу/выводу
(10), сигнал W/R# определяет тип операции - запись (W)
или чтение (R), а сама операция осуществляется по неко-
торому синхронизирующему сигналу. Такой способ приме-
няется в шинах EISA и PCI.

В микропроцессорной технике применяются прямые и ин-
версные логические сигналы. В случае прямых сигналов ло-
гическому нулю соответствует низкий уровень сигнала, ло-
гической единице - высокий. В случае инверсных сигналов
все наоборот. Инверсию сигналов обозначают разными спо-
собами: перед названием сигнала ставят знак "минус", над
именем проводят черту, после имени ставят обратную ко-
сую черту или решетку. В данной книге используется по-
следний способ. Управляющие сигналы обычно инверсные.
Это так называемые 1(1ог^)-активные сигналы, у которых
активный уровень сигнала - низкий. Это нужно, чтобы:

^ повысить помехозащищенность, которая у ТТЛ несим-
метричная. Входные токи стремятся подтянуть уровень
к высокому, и в случае прямых 7^(Дг^)-активных сигна-
лов это действует согласно с помехой, чреватой ложны-
ми срабатываниями. При L-активных сигналах входной
ток противодействует помехе. Особенно важно исполь-
зовать L-активность для сигналов, передаваемых по ка-
белям.

^ обеспечить возможность нескольким источникам управ-
лять одной и той же линией. L-активная линия "подтя-
гивается" к высокому уровню резистором, а активный
сигнал может вводить любой подключенный к ней вен-
тиль с открытым коллектором (можно с тристабильным
выходом).

В IBM PC принцип L-активности управляющих сигналов
интерфейса был нарушен дважды: Н-активность имеют сиг-
налы запросов аппаратных прерываний IRQx и каналов пря-
мого доступа DRQx. Это привело к невозможности совмест-
ного использования линий прерываний и каналов DMA.

Обозначение и порядок бит и байт шин адреса/данных при-
шло от процессоров Intel 8086/88. В шине данных DO обо-
значает самый младший бит LSB (Least Significant Bit), а D7 -
старший бит байта - MSB (Most Significant Bit). Иногда в опи-
сании интерфейсов биты данных обозначаются как D1...D8,
при этом младший бит - D1. На рисунках принято старший
бит изображать слева, а младший - справа. Обозначение
D[7:0] относится к группе сигналов D7, D6,..., D1, DO, a D[0:7] -
к тем же сигналам, но в порядке естественной нумерации.
В двухбайтном слове, размещаемом в памяти, принят
LH-порядок следования: адрес слова указывает на младший
байт L (Low), а старший байт Н (High) размещается по адре-
су, на единицу большему. В двойном слове порядок будет
аналогичным - адрес укажет на самый младший байт, после
которого будут размещены следующие по старшинству. Этот
порядок естествен для процессоров Intel.

В цифровой схемотехнике есть множество тем для обсужде-
ния, остановимся на том, что уже изложено.

Приложение В. Конструктивные
элементы интерфейсов

Определим некоторые термины, относящиеся к аппаратным
средствам современных компьютеров.

Системной (System Board), или материнской, платой (Mother
Board) называют основную печатную плату, на которую
устанавливают процессор, оперативную память, ROM BIOS
и другие системные компоненты.

Платой или картой расширения (Expansion Card) называют
печатную плату с краевым разъемом, устанавливаемую
в слот расширения. Карты расширения, обеспечивающие ка-
кой-либо дополнительный интерфейс, называют интерфейс-
ными картами (Interface Card). Их также называют адапте-
рами (Adapter). К примеру, дисплейный адаптер (Display
adapter) служит для подключения монитора.

Слот (Slot) представляет собой щелевой разъем, в который
устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расшире-
ния (Expansion Slot) в PC представляет собой разъем сис-
темной шины в совокупности с прорезью в задней стенке
корпуса компьютера - то есть посадочное место для уста-
новки карты расширения. Слоты расширения имеют разъе-
мы шин ISA/EISA, PCI, AGP, MCA, VLB или PC Card
(PCMCIA). Внутренние слоты используются для установки
модулей оперативной памяти (DIMM), кэш-памяти
(COAST), процессоров Pentium II и т. д.

Сокет (Socket) - гнездо, в которое устанавливаются микро-
схемы. Его контакты рассчитаны на микросхемы со штырь-
ковыми выводами в корпусах DIP и PGA во всех модифи-
кациях или же микросхемы в корпусах SOJ и PLCC
с выводами в форме буквы "J". ZIF-Socket (Zero Insertion
Force - с нулевым усилием вставки) предназначен для лег-
кой установки при высокой надежности контактов. Эти гнез-
да имеют замок, открыв который можно установить или

изъять микросхему без приложения усилия к ее выводам.
После установки замок закрывают, при этом контакты соке-
та плотно обхватывают выводы микросхемы.

Джампер (Jumper) - съемная перемычка, устанавливаемая
на торчащие из печатной платы штырьковые контакты
(рис. B.la). Джамперы используются для конфигурирования
различных компонентов, которые не требуют оперативного
управления. Джамперы переставляют с помощью пинцета
при выключенном питании.

Рис. В. 1. Аппаратные средства конфигурирования:

а - джампер, б - DIP-переключатель

DIP-переключатели (DIP Switch) - малогабаритные выключа-
тели в корпусе DIP (рис. В. 16), применяемые для тех же целей,
что и джамперы. Более легки в переключении. Недостатками
являются большее занимаемое на плате место и более высокая
цена. Обычно являются только выключателями, что делает
их применение менее гибким по сравнению с джамперами.

Платы (карты), в которых нет джамперов, называют
Jumperless Cards. Компоненты, которые после установки кон-
фигурируются автоматически, относят к классу РпР (Plug
and Play - вставляй и играй).

Чип (СЫр) - полупроводниковая микросхема. Чипсет (СЫр
Set) - набор специализированных интегральных схем, при
подключении которых друг к другу формируется функцио-
нальный блок вычислительной системы. Чипсеты применя-
ются в системных платах, графических контроллерах и дру-
гих устройствах, функции которых нельзя реализовать
в одной микросхеме.

Для соединения устройств и узлов PC применяют различ-
ные разъемы, они же коннекторы (Connector). Среди них
чаще всего встречаются следующие:

Разъемы D-muna (рис. В.2) используются для подключе-
ния внешних устройств - мониторов, принтеров, моде-
мов и т. д. Розетки (Female, "мамы") обозначаются как
DB-xxS, где хх - количество контактов. Вилки (Male,
"папы") обозначаются как DB-xxP. Ключом является
D-образный кожух. Назначение разъемов, выходящих на
заднюю стенку PC, стандартизовано (табл. В.1).

Тип разъема	Назначение
DB-9P (вилка)	СОМ-порт
DB-9S (розетка)	Выход на монитор (Mono, CGA, EGA)
DB-15S (розетка) двухрадный	Game-порт, MIDI
DB-15S (розетка) трехрадный	Выход на монитор (VGA/SVGA)
DB-25P (вилка)	СОМ-порг
DB-25S (розетка)	LPT-порт

Разъемы IDC (Insulation-Displacement Connector - разъем,
смещающий изоляцию) получили свое название из-за спо-
соба присоединения кабеля. Контакты разъема со сторо-
ны, обращенной к кабелю, имеют ножи, подрезающие и
смещающие изоляцию проводников кабеля. Разъемы пред-
назначены для ленточных кабелей шлейфов, хотя возмож-

на заделка в них и одиночных проводников. Для заделки
кабелей в эти разъемы существуют специальные инстру-
менты - прессы. Разъемы IDC существуют для краевых
печатных разъемов (рис. В.За) и штырьковых контактов
(рис. В.36). Разъемы могут иметь ключи: для печатных
разъемов это прорезь и соответствующая ей перемычка,
расположенная ближе к первым контактам. Для штырь-
ковых разъемов ключом является выступ на корпусе, но
этот ключ сработает, только если ответная часть имеет пласт-
массовый бандаж с прорезью. Ключом может являться от-
сутствующий штырек - на разъеме для него не оставляют
отверстия (такой ключ рекомендуется стандартом АТА).
На ленточном кабеле крайний провод, соединяемый с кон-
тактом "I", маркируют цветной краской. На печатной пла-
те штырек "I" обычно имеет отличающуюся от других
(квадратную) форму контактной площадки. Разъемы IDC
и ленточные кабели-шлейфы применяют для подключе-
ния внешних разъемов к системной плате и картам рас-
ширения и для подключения накопителей.

Рис. В.3. Разъемы IDC:

а - краевые, б - штырьковые, в - заделка проводов

Разъемы типа Centronics (рис. В.4) применяют на прин-
терах и внешних устройствах SCSI.

В интерфейсах применяют кабели различных типов - экра-
нированные, неэкранированные, с витыми парами проводов,
плоские кабели-шлейфы и т. п. С точки зрения частотных
параметров и помехозащищенности лучшим способом явля-
ется передача каждого сигнала в дифференциальном виде
по отдельной витой паре проводов, но это дорого. Неплохой
результат дает линейная (обычная) передача сигнала, но так,
чтобы сигнальный провод был перевит с собственным об-
ратным проводом, соединенным с шиной GND на обоих кон-
цах интерфейса. Чуть хуже, но дешевле использование плос-
кого кабеля-шлейфа, в котором сигнальные проводники
чередуются с "землей" или используются дифференциаль-
ные пары. Как правило, чем длиннее соединительный ка-
бель, тем ниже его пропускная способность. Поэтому, если
с длинным кабелем возникают проблемы, надо либо менять
кабель на более качественный и/или короткий, либо сни-
жать физическую скорость обмена. В маркировке проводов
кабелей часто фигурирует обозначение вида 24 AWG. Оно
определяет сечение проводника согласно стандарту AWG
(American Wire Gauge), как показано в табл. В.2.

Номер по AWG	Диаметр, MM	Сечение, MM2	Сопротивление 1 км провода. Ом	Допустимый ток, А
46	0,04	0,0013	13700	0,0038
44	0,05	0,0020	8750	0,006
42	0,06	0,0028	6070	0,009
41	0,07	0,0039	4460	0,012
40	0,08	0,0050	3420	0,015
39	0,09	0,0064	2700	0,019
38	0,10	0,0078	2190	0,024
37	0,11	0,0095	1810	0,028
-..-	0,12	0,011	1520	0,033
36	0,13	0,013	1300	0,040
35	0,14	0,015	1120	0,045
-	0,15	0,018	970	0,054

Номер noAWG	Диаметр, MM	Сечение, MM2	Сопротивление 1 км провода. Ом	Допустимый ток/А*
34	0,16	0,020	844	0,06
--	0,17	0,023	757	0,068
33	0,18	0,026	676	0,075
-	0,19	0,028	605	0,085
32	0,20	0,031	547	0,093
30	0,25	0,049	351	0,147
29	0,30	0,071	243	0,212
27	0,35	0,096	178	0,288
26	0,40	0,13	137	0,378
25	0,45	0,16	108	0,477
24	0,50	0,20	87,5	0,588
-„-	0,55	0,24	72,3	0,715
-„-	0,60	0,28	60,7	0,85
22	0,65	0,33	51,7	1,0
-„-	0,70	0,39	44,6	1,16
-,,-	0,75	0,44	38,9	1,32
20	0,80	0,50	34,1	1,51
-„-	0,85	0,57	30,2	1,70
19	0,90	0,64	26,9	1,91
-„-	0,95	0,71	24,3	2,12
18	1,00	0,78	21,9	2,36
-„-	1,10	0,95	18,1	2,85
-П-	1,20	14	15,2	3,38
16	1,30	1,3	13,0	3,97
-„-	1,40	1,5	11,2	4,60
-„-	1,50	1,8	9,70	5,30
14	1,60	2,0	8,54	6,0
-„-	1,70	2,3	7,57	6,7
13	1,80	2,6	6,76	7,6
-„-	1,90	2,8	6,05	8,5
12	2,00	3,1	5,47	9,4

* При допустимой плотности тока 3 А/мм2.