Цифровые комплексы, системы и сети

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем пособии представлены материалы, которые помогут разо- браться в вопросах, связанных с разработкой цифровых устройств на основе FPGA.

Учебное пособие предназначено для бакалавров направления 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» в программе «Цифровые комплек- сы, системы и сети» при подготовке к практическим и лабораторным занятиям, прослушиванию лекций и написании рефератов по данной тематике.

Представленный учебный материал должен помочь студентам в освоении проектирования цифровых систем на базе программируемых логических инте- гральных схем.

4

 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Средства вычислительной техники (СВТ) функционируют на основе взаи- модействия функциональных блоков, узлов и элементов при помощи трёх ти- пов сигналов, имеющих разную физическую природу:

1. Электрические сигналы; 2. Радиосигналы;

3. Оптические сигналы.

Электрический сигнал используется для локальных линий связи между функциональными элементами, узлами, блоками и устройствами на расстояни- ях от долей микрометров до сотен метров.

Оптический сигнал применяется в магистральных линиях связи между устройствами и комплексами, а также в высокоскоростных линиях связи и ори- ентирован на соединения от сотен метров до десятков километров.

Радиосигнал применяется в абонентских каналах вычислительных сетей (WiFi, GSM) и в интерфейсах периферийных устройств (Bluetooth).

Более 99,9% связей в вычислительной технике используют электрический сигнал. Далее будут рассматриваться только электрические сигналы.

1.1. Природа электрического сигнала

Элементарные заряженные частицы вещества, протоны и электроны, спо- собны перемещаться в пространстве в общем направлении, создавая явление «электрический ток» (рис. 1). В земных условиях электрический ток вызван пе- ремещением отрицательно заряженных электронов. Протоны располагаются в ядрах атомов и в нормальных условиях не перемещаются.

Рисунок 1. Природа электрического сигнала

 5

 Электрон – отрицательно заряженная элементарная частица, одна из ос- новных неделимых структурных единиц любого вещества.

Характеризуется следующими физическими константами:

 Me = 9,11·10−31 кг – масса;

 e0 = -1,6·10-19 Кл – заряд.

Заряд измеряется в кулонах, но, в силу неделимости электрона, заряд мо- жет быть измерен в избытке или недостатке заданного числа электронов. Т.е. заряд дискретен с шагом e0.

Приведённые выше константы имеют указанные значения благодаря субъ- ективному выбору базовой системы единиц СИ (килограмм, метр, секунда), не привязанному к основам мироздания.

Направленное перемещение электронов в среде создаёт электрический ток, характеризующийся силой тока (1) – количество электронов (заряд), прошед- ших через поперечное сечение среды в течение определённого времени. Еди- ница измерения заряда – кулон, Кл. Производная заряда по времени – сила тока – измеряется в амперах, А. В технике силу тока называют просто «ток» (Current).

𝐼 = 𝑑𝑞 = [Кл] = [А] 𝑑𝑡 с

(1)

Второй величиной, которой оперируют при расчёте электрических цепей, является напряжение. Напряжение – энергетическая характеристика, опреде- ляющая работу по перемещению заряда в пространстве. Заряженные частицы (электроны), как и любые материальные объекты, для перемещения в простран- стве требуют выполнения работы. Напряжение измеряется в вольтах (не путать с ваттами – Вт) и рассчитывается как отношение работы, выполняемой при пе- ремещении заряженных частиц, к общему перемещённому в пространстве заря- ду (рис. 2, формула (2)).