Esistono due estese categorie di c i rcu iti i nteg rat i . G l i I C " l i n eari" contengono una c i rcuiteria ti po ampl ificatore e ne tratteremo nel capitolo 1 2 . G l i I C " d i g ital i " contengono u n a c i rcu iteria tipo com m utatore e ne parleremo escl usivamente i n questo capitolo. Se è passato u n certo tem po da q u ando avete stu diato i pri m i capi tol i di q u esto l i bro - su come l'i nfo rmazione venga trasmessa con tecniche d i g ital i , come vengono prese del le decision i d i g itali p e r mezzo d i gate l o g i c i e come l ' i nfor mazione d i g itale venga memorizzata per mezzo d i fii p-flop sarà meg l io spendere al
c u n i m i n uti per rivedere i Capitoli 1 , 3 e 4. Q u esto capitolo si basa su questi concetti
fondamenta l i .
C H E COSA S O N O l CIRCUITI I NTEGRATI D I GITALI?
G l i IC d i g ita l i sono deg l i IC la cui funzione fondamentale è di elaborare le i n formazi o n i digitali per mezzo d i c i rcuiti com m utatori . R icorderete che l'altro i m p i e go generale dei c i rcu iti comm utatori è di controllare la potenza per dei dispositivi di lavoro come i motori. Ma i tipici I C non sono ancora appl icab i l i per q u est'uso, a cau sa del la l i m itazione a l ivel l i di potenza pi uttosto bassi che abbiamo d iscusso nel ca pitolo 1 0.
COM E VENGONO USATI l CIRCUTI I NTEGRATI D I G ITALI?
G l i IC d i g ital i vengono usati per elaborare le i nformazioni e per memorizzarle i n sistemi d i g ital i come i calcolatori , le calcolatrici da tavolo, i control l i n u merici per macc h i n e utensi l i e g l i stru menti contatori di freq uenza. Q uando usano g l i IC, i pro gettisti di tali sistemi non hanno bisogno di spender tem po e fatica nel mettere insie me dei transistori per ottenere dei gate e dei fii p-flop. Essi non hanno neppure biso gno di mettere i nsieme dei gate e dei fii p-flop per ottenere dei ci rcu iti p i ù com pless i . l n vece, essi possono progettare servendosi di blocc h i p i ù g ran d i , costituiti da molti gate e fii p-flop, come la sezione "add izionato re" del la sem p l i ce add izionatrice che
abbiamo discusso nei capitol i 3 e 4. I nfatti, la mag g i o r parte dei blocc h i più g randi
occorrenti ai progettisti d i sistemi d i g ital i è dispo n i b i l e sotto forma d i I C . In conse g uenza, per studiare g l i I C d i g ital i , occorre far conoscenza con a l c u n i dei blocc h i standard.
l blocc h i d i g itali possono essere i m magi nati sem p l i cemente come del le scato le con i n g ressi e uscite per le i nformazioni d i gital i , p i ù le con nessioni di a l i mentazio n e d i - ·massa, c o m e i n d i cato i n F i g u ra 1 1 . 1 . L a m a g g i o r pa rte d e i b l o c c h i
I N GRESSI D I G ITALI ALIM ENTAZIONE v cc BLOCCO D I G ITALE MASSA Figura 1 1 .1 USCITE DIG ITALI
d i g i ta l i d i s pon i b i l i sotto forma di I C può ven i r classificata come appartenente a l l a categoria decisionale o a q u e l l a delle memorie. G l i I C decisionali vengono anche c h i a m ati " I C logici" e sono p ri nci pal mente costituiti da gate: gli IC " d i memoria" hanno come componenti p i ù i m portanti i fl i p-flop.
QUALI SONO ALC U N I BLOCCHI DECISIONALI TIPICI?
Un b locco del tipo decisionale, usato com u nemente, è l'addiziona tore. R i cor derete che ne abbiamo descritto u no nel capitolo 3 . La F i g u ra 1 1 .2 mette i n evidenza i l p ri n c i p i o su c u i s i basa u n addizionatore. INGRESSO A NUMERI B I NARI INGRESSO B N U M ER I B INARI 1 2 4 8 1 2 4 8 AD DER Flgura 1 1 .2 1 2 4 8 1 6 USCITA NUMERI B I NARI CA=A+B
l seg n a l i i n entrata sono costituiti da d u e n u meri b i n ari e l'uscita è la som ma d i questi due n u meri sotto forma b i naria. Chiaramente, si ha a che fare con un d ispositivo che p rende del le decisioni. L'add izionatore, contrariamente ai blocchi costitutivi d i me moria, non contiene ness u n fl i p-flop.
U n altro com u n e blocco decisionale è quello noto come "co nvertitore di cod i ce". R i corderete che il " baby com puter" c1a noi real izzato nel capitolo 4 i nclude un convertitore di codi ce. l co nvertitori d i cod ice sono anche chiamati "codificatori" e "decodifi catori". N e l l a sezione "sent i re" del nostro baby co m p uter c'è u n blocco che co nverte il cod ice deci male p roven iente dal la tastiera in un cod ice bi nario ad at to a l l 'addizionatore. U n convertitore d i cod ice cosiffatto è visi b i l e i n F i g u ra 1 1 .3.
INGRESSO: U N N U MERO I N C O D I C E D I G ITALE -+ DECIMALE (UNA CI FRA) o 1 2 CONVERT. 3 DI CODICE
�
DECIMALE 6 BINARIO 7 8 9 Figura 1 1 .3 USCITA: LO}
STESSO NUMERO, .... MA I N CODICE DIG ITALE BINARIOAnal ogamente, nel l a sezione "ag i re" del nost ro computer, ap pare u n blocco che non solo converte il cod ice bi nario in segnali adatti ad azionare l ' i n d i cato re lu m i n oso, ma forn isce anche potenza per pilotare i diodi a emissione l u m i nosa.
A ltri due blocc h i decisional i sono riportati in F i g u ra 1 1 .4. I l settore di dati e i l multiplexer vengono tipi camente usati i nsieme come u n a specie d i sistema a tavolo d i comm utazione per i nformazioni d i g i tal i . In q u esto co m plesso, i l selettore di dati col lega una q ualsiasi del le sue otto entrate alla sua u n ica uscita, su comando i m par tito dai seg n a l i d i g itali ricevuti alle sue entrate "selezione". Q u i nd i , i l m u ltiplexer in strada le i n formazioni p rovenienti dal suo u n i co i n g resso ad u n a qualunque delle sue otto uscite, così come ord i n ato dai seg nali i m m essi nei suoi term i n a l i "selezio ne". Così i l selettore d i dati e i l m u ltiplxer funzionano come u na specie d i posto d i s m i stamento ferroviario, p e r i seg n a l i d'i nformazione.
SELEZI ONE SELEZI ONE
1 o 1 o 1 1 4 2 1 4 2 1 o ----<> o 1 1 2 2 3 .--- - -. 3. 4 / ---+ 4
INGRESSI 5 / TRASMISS 5 USCITE
6 6
7 7
SELETTORE M U L TIPLEXER
DATI
Figura 1 1 .4
E s i sto n o , natu ra l m e nte m o l t i altri t i p i d i b l o cc h i d i g ita l i dec i s i o n a l i , ma i poch i che abbiamo descritto sono fra i p i ù comu nemente usati e sono suffici enti per i n d i care l e loro q uasi i l l i m itate possi b i l ità.
QUALI SONO ALCUN I BLOCCHI D I M E M O R IA TIPICI?
Gli odierni sistemi d i g ita l i i m p iegano vari generi d i memorie, fra c u i le m emorie a nuclei mag n etici, quelle a d ischi magnetici e quelle a nastri magnetici. M a la ten denza attuale è di sostitu i re q u esti dispositivi di vecch i a data con delle memorie a sem i cond uttori. Q uesti c i rcu iti a sem icond uttore sono c h iamati "fl i p-flop" e sono essenzial mente costituiti da gate logici.
I l conteggio bi nario ren de relativamente sem p l i c i le memorie per siste m i d i g i tal i . T utto ciò che occo rre è una tecnica per memorizzare g l i u n i e g l i zeri l og ici i n certe posizioni, i n modo c h e essi possan o ven i r letti quando c e n e s i a bisogno. Q u e sta funzione è molto s i m i le a quella d i scrivere e d i leggere dei seg n i ( n u meri) su u n pezzo d i carta, d u rante l'esecuzione manuale d i u n a l u nga d ivisione - essa sem p l i ce mente i m m agazz i n a l ' i nformazione, finché non siete p ronti a farne uso.
Un fl i p-fl op è u n elemento di memoria perchè esso è i n g rado d i trattenere, o
agganci are, i l suo segnale d'uscita i n u n o stato particolare, q uando ord i n ato. Esso salta (fii p) a u n o e ri cade (flop) a zero, quando ri ceve g l i appropriati comandi in i n g resso. Esistono vari t i p i d i c i rcu iti d i fii p-flop, ma, per i l nostro esempio, faremo uso di u n tipo sem p l i ce chiamato "tipo - D", i n d i cato i n F i g u ra 1 1 .5 .
INGR ESSO DATI D USCITA DATI
CLOCK
IMPULSO DI CLOç�
Figura 1 1 .5
L'uscita Q rimane costante, fin chè l ' i n g resso del clock è u no zero logico. M a, q uando i l clock dà u n i m p u lso - va cioè a uno e poi torna a zero - q u esto fa i n modo che l' uscita ri peta qualsiasi stato ci sia a l l ' i n g resso D in quel momento e che lo man tenga fino al successivo impu lso dei clock.
Q uando i n un sistema occorre memorizzare dei gruppi d i bit ('' parole" ) , si fa uso d i d iversi fl i p-flop sotto una q ualche specie di comando u n ificato.
U na com b i nazione di questo tipo viene chiamata " reg istro" . Nel capitolo 4, ab biamo d iscusso u n a varietà di registro chiamata " registro a scorri mento", in c u i l'u scita d i ogni fii p-flop a l i menta l ' i n g resso d i u n altro, i n u n a serie d i fl i p-flop. Nel reg i strc:> a scorri mento, quando tutti i fl i p-flop sono fatti scattare s i m u ltaneamente dal
clock, dei bit di dati si spostano, un passo dopo l'altro, l u ngo il reg istro, dal l ' i n g resso del pri mo fli p-flop al l' uscita del l'ultimo fl i p-flop.
U n altro t i po d i reg istro, i n c u i diversi bit possono ven i r i m m essi o ri cavati si
multaneamente, viene chiamato reg istro parallelo. I l blocco di memoria nel nostro
" baby computer" del capitolo 4 è u n a combi nazione in parallelo di q uattro regi stri a scorri mento da due bit.
An cora u n altro co m u n e blocco costitutivo d i memoria è i l contatore. U n t i pico co ntatore è rap p resentato in F i g u ra 1 1 .6. Q u esto b l o cco, conta g l i i m pu lsi d i g ita l i
1
_jlJUlJUL
:
ERI E D'IMPULSI IN INGR ESSODOPO DICIOTTO I M PULSI o o 1 o
DOPO DICIASSETTE I M PULSI o o o
1
DOPO SEDICI IMPULS I o o o o
DOPO Q U I N DICI IMPULS I
1 1 1 1
DOPO QUATTORDICI IMPULS I
1 1
1 oDOPO TR EDICI IMPULS I
1 1
o1
FI-gura 1 1 .6
ricevuti a l l a sua u n i ca entrata e ricorda i l totale com p l essivo. I l totale viene q u i n d i presentato a l l e q u attro uscite come u n n u mero b i n ario d i q u attro bit. U n a parte del la seq uenza d i conteggio è riportata nel la fi g u ra. Questo particolare contatore è stu d i ato in modo che, quando il totale a rriva a 1 1 1 1 ( 1 5) esso torna a 0000 a l l' i m p u lso successivo. l contatori possono essere fatti i n modo da tornare a zero dopo essere arrivati praticamente a q ualsiasi n u mero. U n contatore che torn i a zero dopo u n to tale di nove, viene chi amato contatore "decad ico". U n contatore che to rn i a zero do po essere arrivato a undici, sarà chiamato contatore " d ividi - per dodici", etc. Certi contatori contano sia a l l ' i n d ietro che i n avanti e sono c h i amati " u p-down" cou nters.
" DATECI IL CARATTERE N U M ERO VENTISEI"
l
0 <>-- -'
MEMORIA 1 1 A SOLA LETTURA 0 ,6���
RAMMAT .. GENERATORE " DI CARATTERI QUADRO DI 35 LAMPADI N EOGNU N A ACCESA O SPENTA I N CONFOAM ITA' AD UNA DELLE LINEE PROVEN I ENTI DAL GENERATORE D I CARATTERI • • • • • o o o o e o o o e o o o e o v o e o o o e o o o o • • • • • Figura 1 1 .7
U n altro tipo d i b locco che viene d i sal ito classificato come del tipo a memoria è la memoria a so/a lettura (ROM ) . I n u n a ROM, l ' i n formazione viene memorizzata in forma permanente d u rante la costituzione del ci rcu ito, princi palmente g razie alla confi g u razione delle i ntercon nessioni. " M emoria a sola lettu ra" s i g n ifica che l'infor mazione può essere solamen te l etta, ma non scritta o cambiata. U n uso com u ne del l a ROM è q u e l l o come generatore di caratteri.
La R O M rap presentata i n F i g u ra 1 1 .7 è una particolare memoria che contiene 2240 bit d'i nformazione d isposti i n 64 parole ( g ru ppi d i bit); ciascu n a di 35 bit. U na q ualsiasi del le parole può essere richiamata alle trentac i n q ue l i nee d i uscita, appl icando l'opportuno n u m ero d i binario (da zero a 63) ag l i i n g ress i . O g n u na delle 35 uscite comanda u n a lampad i n a nel q uadro di 35 lampadi ne, disposte c i n q ue per sette
I n F i g u ra 1 1 .7 il comando in ing resso ha richiamato la parola memorizzata nel
la posizione n u mero 26 e q u esta parola prod u ce l ' i m mag i ne del carattere "Z" nel quadro d i l a m pad i ne. In questa memoria, ogni parola produce u n carattere diverso ( u n a lettera, un n u mero, un seg no d'i nterpu nzione, etc.) su comando - di q u i il nome di "generatore d i caratteri".
QUALI SPECI FICHE SI TROVANO S U l DATA SH EET DEGLI I C DIG ITALI? l data sheet d i tutti i blocchi di gita l i esistenti sotto forma d i IC sono assai s i m i l i
i n formato. L e F i g u re da 1 1 .8 a 1 1 . � 4 presentano u n completo data sheet di c i rcu ito
i nteg rato per un reg istro a scorri mento da otto bit.
Le specifiche più i m portanti si d ividono i n due cl assi: funzionali ed elettriche. Le specifiche funzionali d icono cosa fa i l blocco a I C - q u a l i decisioni pren de. Le specifiche elettri che, m olto s i m i l mente a q uelle dei dispositivi discreti, descrivono il circu ito in base alle sue caratteristiche elettriche.
Poichè le specifiche funzionali ci dicono cosa fa I ' I C con le i nformazioni che ri ceve, q u este specifiche sono normal mente espresse med iante una tabella della ve
rità, che g i à conoscete bene.
Benchè vi siano fam i lari le tabelle della verità che fan no uso dell'uno e dello ze ro, sarà bene sappiate che c'è una recente tendenza a usare al posto del l ' u n o e del lo zero le lettere " H " e "L". Nel descrivere le tabelle del la verità, vi rico rderete che ab biamo detto che, di solito, la tensione alta rappresenta l ' u n o e la tensione bassa lo zero. M a, dopotutto, sta al progettista deci dere a quale dei due n u meri corrisponde una tensione. La maggior parte dei progettisti dà il valore uno alla tensione più alta; questa viene chiamata logica " positiva" ed è d i g ran l u nga la più usata. M a vi sono al cuni siste m i i n c u i i l val ore "alto" rappresenta lo zero - u n'alternativa nota come logi ca "negativa" . Così , u n a tabella del la verità facente uso d i u n " H " e d i u n "L" vale i n entrambi i casi.
M a si noti questa avvertenza: con u na logica positiva, per u n ti pico blocco, si ottiene u n a tabella del la verità i nteramente diversa da q u e l l a che si otterrebbe sce gl iendo u na logica negativa. Ciò sign ifica che i l blocco compie u n a funzione com
pletamente diversa. Potrete accertarvene, prendendo la tabel la del l a verità per il ga
te ANO che abbiamo riportato come esem pio e cam b i ando tutti g l i uno i n altrettanti zeri e tutti g l i zeri i n altrettanti uno. La tabe l l a del la verità che ne risu lta è la tabella del la verità per u n a funzione OR. Per riassumere le varianti , u n gate che compie la funzione AN O facendo uso d i u n a logica positiva ag i rà come u n gate OR, facendo uso d i una logica negativa. Analogamente, u n gate OR positivo d i venta u n gate ANO negativo. Così , una specifica funzionale completa i n clude la desi g nazione " positi vo" o " negativo" . Come avrete probab i l m ente ded otto, un i n vertitore è sem p re u n invertitore.
Fra le specifiche elettriche di un blocco d i g itale ve ne sono a l c u n e che già ben conosciamo. M a, in p i ù , ci sono q u attro i m portanti specifiche che potremo chiama re "caratteristiche u n i versali deg l i I C d i g ital i" perchè val gono per tutti i blocc h i d igi tal i :
I l margine di rumore desc rive c o n q uanta sicurezza u n blocco trasmette e rica va delle i nformazioni corrette, malgrado la presenza d i " ru m ore". La capacità d i u n
TTL M S I
C I R C U I T TYPES SNS41 6S, SN741 6S