1.4. Электронные аспекты цифрового проектирования

Цифровые схемы не являются в точности двоичной версией «супа из букв»; при всем почтении к рис. 1.1, маленькие нули и единицы не плавают около входов и выходов изображенных на нем схем. Как мы увидим в главе 3, цифровые схемы имеют дело с аналоговыми напряжениями и токами и строятся из аналоговых компонентов. «Цифровая абстракция» позволяет в большинстве случаев игнорировать аналоговое поведение, так что схемы можно представить в виде моделей, как если бы они на самом деле обрабатывали нули и единицы.

Важный аспект цифровой абстракции состоит в том, чтобы увязать интервал аналоговых значений с каждой из логических величин 0 и 1. Как показано на рис. 1.2, для типичного вентиля не гарантируется, что логическому 0 на выходе соответствует точно указываемый уровень напряжения. Скорее, напряжение на выходе вентиля окажется в пределах некоторого интервала, который является подмножеством множества значений, которые гарантированно воспринимаются как О входами других вентилей. Интервал между границами диапазонов называют запасом помехоустойчивости (noise margin): сигнал на выходе вентиля может быть сильно искажен помехами, но все же он будет правильно интерпретироваться на входах других логических схем.

Рис.1.2.Логические значения и запас помехоустойчивости

Аналогично обстоит дело с логической I на выходе. Обратите внимание, что между диапазонами, соответствующими логическому 0 и логической I, имеется область «недействительных» значений. Хотя у любой конкретной цифровой схемы, работающей при заданном напряжении питания и при фиксированной температуре, граница между двумя диапазонами имеет вполне определенное значение, у разных логических схем их границы лежат где-то в области «недействительных» значений. Благодаря этому любой сигнал, принадлежащий диапазонам логического 0 и логической 1, будет одинаково интерпретироваться различными схемами. Это свойство существенно с точки зрения воспроизводимости результатов.

О том, чтобы вентили вырабатывали и распознавали логические сигналы, значения которых лежат внутри соответствующих интервалов, должен позаботиться разработчик электронной схемы. Это проблема расчета аналоговой схемы; некоторые аспекты этой проблемы мы затронем в главе 3. Нельзя построить схему, которая вела бы себя желаемым образом при произвольных напряжениях питания, температуре, нагрузке и других факторах. Поэтому разработчик электронной схемы или производитель тех или иных устройств снабжают нас техническими условиями (specification), при соблюдении которых правильная работа схемы или устройства гарантируется.

Однако проектировщику цифрового устройства нет необходимости вдаваться в детали аналогового поведения его конструкции, чтобы обеспечить правильность ее работы. Скорее всего, вам нужно будет только проконтролировать внешние условия, в которых предстоит функционировать устройству, и убедиться, что они не выходят за рамки известных наперед технических требований. Некоторые аналоговые знания необходимы, чтобы выполнить такую проверку, но далеко не столь глубокие, какие могли бы понадобиться, если начинать проектирование цифрового устройства с нуля. В главе 3 мы дадим вам как раз то, что нужно.