Основы цифровой схемотехники

Н. П. Бабич, И. А. Жуков

ОСНОВЫ 
ЦИФРОВОЙ
СХЕМОТЕХНИКИ

— 1 —

Москва 
ДМК Пресс, Додэка, МК Пресс, 2023

2-е издание, электронное

УДК 004.31 (075.8)
ББК з973.2-04я73-5
Б125

Р е ц е н з е н ты :

членкорреспондент НАН Украины, профессор В. Ф. Евдокимов — 
директор Института проблем моделирования в энергетике НАН Украины;

доктор технических наук, профессор Г. М. Луцкий — 
заведующий кафедры «Вычислительная техника» НТУУ «КПИ».

Б125
Бабич, Николай Павлович.
Основы цифровой схемотехники : учебное пособие / Н. П. Бабич, И. А. Жуков. — 2-е изд., 
эл. — 1 файл pdf : 481 с. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — Систем. требования: 
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-571-8

В этом учебном пособии систематизировано изложены информационные арифметические и 
логические основы микроэлектронных схем современных компьютеров. Рассмотрены принципы 
построения и функционирования логических и запоминающих элементов, типовых функциональных узлов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, электронной памяти, арифметико-логических и управляющих устройств, микропроцессоров, интерфейсных контроллеров. 
Отдельная глава посвящена технологии производства печатных плат.
Рассчитано на студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

УДК 004.31 (075.8) 
ББК з973.2-04я73-5

Электронное издание на основе печатного издания: Основы цифровой схемотехники : учебное пособие / 
Н. П. Бабич, И. А. Жуков. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2016. — 480 с. — ISBN 978-5-97060-209-6. — 
Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы 
то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно 
существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим 
издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-571-8
© Оформление, МК-Пресс
© Макет, Издательский дом «Додэка-XXI»
© Издание, ДМК Пресс

Содержание   3 

Содержание 

Введение ................................................................................................................................5 
Перечень используемых сокращений..................................................................................6 

Глава 1. Основы теории компьютерной схемотехники ......................... 8 
1.1. Информационные основы компьютерной схемотехники ............................................8 
1.2. Арифметические основы компьютерной схемотехники ..............................................16 
1.3. Логические основы компьютерной схемотехники ........................................................38 
1.4. Основные характеристики цифровых микросхем ........................................................49 

Глава 2. Элементы компьютерной схемотехники................................... 63 
2.1. Логические элементы — диодные, транзисторные, ИИЛ и ДТЛ.................................63 
2.2. Транзисторно-транзисторные логические элементы...................................................71 
2.3. Логические элементы эмиттерно-связной логики........................................................81 
2.4. Логические элементы на МОП-транзисторах...............................................................84 
2.5. Импульсная и потенциально-импульсная системы элементов ..................................91 
2.6. Магнитная схемотехника ...............................................................................................95 
2.7. Асинхронные и синхронные RS-триггеры.....................................................................101 
2.8. Триггеры типов JK, T, D и DV ........................................................................................108 

Глава 3. Последовательностные (накапливающие) узлы  
компьютерной схемотехники..................................................... 117 
3.1. Регистры .........................................................................................................................117 
3.2. Счетчики..........................................................................................................................126 

Глава 4. Комбинационные функциональные узлы  
компьютерной схемотехники..................................................... 139 
4.1. Дешифраторы.................................................................................................................139 
4.2. Шифраторы.....................................................................................................................145 
4.3. Мультиплексоры и демультиплексоры .........................................................................149 
4.4. Схемы сравнения и контроля........................................................................................155 
4.5. Преобразователи кодов.................................................................................................164 
4.6. Двоичные сумматоры.....................................................................................................171 
4.7. Двоично-десятичные сумматоры ..................................................................................184 

Глава 5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи 188 
5.1. Цифро-аналоговые преобразователи ..........................................................................188 
5.2. Аналого-цифровые преобразователи...........................................................................194 

Глава 6. Основы компьютерной техники.................................................. 200 
6.1. Общая характеристика компьютерной техники и короткая история ее развития......200 
6.2. Архитектура и структура компьютеров .........................................................................201 
6.3. Принцип программного управления..............................................................................204 
6.4. Основные характеристики компьютеров ......................................................................206 
6.5. Поколения компьютеров................................................................................................207 

Глава 7. Память компьютеров .................................................................... 210 
7.1. Общая характеристика памяти......................................................................................210 
7.2. Основные структуры полупроводниковой памяти .......................................................216 
7.3. Кэш-память .....................................................................................................................220 
7.4. Постоянная память ........................................................................................................224 
7.5. Флэш-память...................................................................................................................232 
7.6. Статические запоминающие устройства......................................................................237 
7.7. Динамическая память ....................................................................................................240 

 

Введение 

Глава 8. Арифметико-логические устройства и  
устройства управления............................................................... 251 
8.1. Классификация арифметико-логических устройств ....................................................251 
8.2. Языки описания операционных устройств ...................................................................253 
8.3. Устройства управления..................................................................................................255 
8.4. Управляющие автоматы со схемной логикой...............................................................258 
8.5. Структурный синтез управляющего автомата со схемной логикой............................261 
8.6. Синтез микропрограммного автомата с программируемой логикой ..........................263 
8.7. Центральное устройство управления...........................................................................269 

Глава 9. Проектирование специализированных  
арифметико-логических устройств .......................................... 273 
9.1. Реализация операции сложения...................................................................................273 
9.2. Реализация операции вычитания .................................................................................281 
9.3. Реализация операций сложения и вычитания .............................................................287 
9.4. Реализация операции умножения.................................................................................295 
9.5. Реализация операции деления .....................................................................................304 

Глава 10. Микропроцессоры ....................................................................... 319 
10.1. Общая характеристика процессоров и микропроцессоров.......................................319 
10.2. Однокристальные восьмиразрядные микропроцессоры...........................................331 
10.3. Однокристальные шестнадцатиразрядные микропроцессоры.................................364 
10.4. Арифметические сопроцессоры..................................................................................372 
10.5. Суперскалярные 32-разрядные микропроцессоры с CISC-архитектурой................374 
10.6. Суперскалярные микропроцессоры с RISC-архитектурой ........................................386 

Глава 11. Интерфейсы микропроцессорных систем.............................. 391 
11.1. Общая характеристика микропроцессорных систем .................................................391 
11.2. Общая характеристика интерфейсов .........................................................................397 
11.3. Интерфейсные микросхемы ........................................................................................402 
11.4. Программируемые интерфейсные контроллеры.......................................................413 

Глава 12. Проектирование печатных плат................................................ 430 
12.1. Основные определения ...............................................................................................430 
12.2. Виды печатных плат и кабелей ...................................................................................430 
12.3. Материалы для печатных плат ...................................................................................432 
12.4. Входной контроль и механическая обработка печатных плат..................................433 
12.5. Чертеж печатной платы ...............................................................................................435 
12.6. Изготовление оригиналов и фотошаблонов ..............................................................442 
12.7. Типовые процессы изготовления печатных плат.......................................................448 
12.8. Последовательность технологических процессов изготовления печатных плат ....450 

Список литературы ....................................................................................... 453 

Приложения .................................................................................................... 456 
А. Соотношения размеров условных графических обозначений на  
модульной сетке ..............................................................................................................456 
Б. Обозначения функций элементов, меток выводов ........................................................457 
В. Примеры чертежей печатной платы................................................................................463 
Г. Условные графические обозначения элементов цифровой техники ............................466 
Д. Перечень стандартов .......................................................................................................471 
Е. Словарь общих терминов.................................................................................................473 

Введение 

Компьютерная схемотехника — это научно-техническая дисциплина, которая 
изучает теоретические методы анализа и синтеза схем компьютеров (электронных 
вычислительных машин) и способы их технической реализации. Развитие компьютерной схемотехники является основой усовершенствования архитектуры компьютеров, качественного повышения их производительности и надежности, существенного уменьшения весогабаритных показателей. Компьютеры широко используются в 
различных отраслях народного хозяйства. 
Цель применения компьютеров заключается в информатизации общества — 
обеспечении повсеместного использования автоматизированных методов сбора, 
передачи, обработки и хранения информации. Решение проблемы информатизации 
обеспечивает выход страны на новый уровень цивилизации. 
Данное учебное пособие предназначено для студентов, которые обучаются по 
специальностям “Компьютерные системы и сети”, “Информационные управляющие 
системы и технологии”, “Программное обеспечение автоматизированных систем”. 
Здесь нашли отражение результаты методологических исследований по оптимизации учебного процесса, полученные на кафедре вычислительной техники Института 
компьютерных технологий Национального авиационного университета Украины. 
В пособии изложены информационные, арифметические, логические и схемотехнические основы компьютерной схемотехники. Рассмотрены элементы и типовые 
функциональные узлы, а также основные устройства компьютеров: электронная память, арифметико-логические, управления и системы ввода/вывода информации. В 
сжатой форме представлены характеристики процессоров, микропроцессоров и 
компьютеров, даны определения, классификация, основные области их применения. 
Рассмотрен также процесс проектирования печатных плат. 
Авторы благодарны рецензентам — директору Института проблем моделирования в энергетике НАН Украины, члену-корреспонденту НАН Украины, профессору 
В. Ф. Евдокимову и заведующему кафедры “Вычислительная техника” НТУУ “КПИ”, 
доктору технических наук, профессору Г. М. Луцкому за ценные замечания. 
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук А. А. Бабич за 
помощь в подготовке книги к изданию, а также ответственному редактору издательства “МК-Пресс” Юрию Шпаку, выполнившему всю работу по обработке авторского 
материала. 

  

Введение 

Перечень используемых сокращений 

А 
аккумулятор 
АК 
арифметический канал 
АЛБ 
арифметико-логический блок 
АЛУ 
арифметико-логическое устройство 
АЦП 
аналого-цифровой преобразователь 
АШ 
арбитр шины 
БАД 
буфер адреса данных 
БМУ 
блок местного управления 
БИС 
большая интегральная схема 
БИФ 
блок интерфейса 
ВЗУ 
внешнее ЗУ 
ГПК 
гибкий печатный кабель 
ГПП 
гибкая печатная плата 
ГТИ 
генератор тактовых импульсов 
ДПП 
двусторонняя печатная плата 
ЕСКД 
единая система конструкторской документации 
ЕСПД 
единая система программной документации 
ЗГ 
задающий генератор 
ЗУ 
запоминающее устройство 
И2Л 
интегральная инжекционная логика 
ИМС 
интегральная микросхема 
КВВ 
канал ввода-вывода 
КМОП 
комплементарная МОП-структура 
КОП 
код операции 
КПДП 
контроллер ПДП 
КПР 
контроллер прерываний 
КПТО 
комплекс программ технического обслуживания 
КШ 
контроллер шины 
МЕП 
структура “металл–полупроводник” 
МИС 
малая интегральная схема 
МК 
микрокоманда 
МНОП 
структура “металл–нитрид–оксид–полупроводник” 
МОП 
структура “металл–оксид–полупроводник” 
МП 
микропроцессор 
МПА 
микропрограммный автомат 
МПК 
микропроцессорный комплект 
МПП 
многослойная печатная плата 
МПС 
микропроцессорная система 
МЦ 
машинный цикл 
МЭТ 
многоэмиттерный транзистор 
СБИС 
сверхбольшая интегральная схема 
НГМД 
накопитель на гибких магнитных дисках 
НЖМД 
накопитель на жестких магнитных дисках 
НМЛ 
накопитель на магнитных лентах 
НОД 
накопитель на оптических дисках 
ОА 
операционный автомат 
ОЗУ 
оперативное ЗУ 
ОК 
открытый коллектор 
ОП 
оперативная память 
ОПП 
односторонняя печатная плата 

Перечень используемых сокращений   7 

ОС 
операционная система 
ОУ 
операционный усилитель 
ПД 
переключатель Джозефсона 
ПДП 
прямой доступ к памяти 
ПЗУ 
постоянное ЗУ 
ПМК 
память микрокоманд 
ПУ 
периферийное (внешнее) устройство 
ППА 
программируемый параллельный адаптер 
ППЗУ 
программируемое ПЗУ 
ППИ 
программируемый последовательный интерфейс 
ППП 
пакеты прикладных программ 
ПТ 
программируемый таймер 
ПЭВМ 
персональная ЭВМ 
РОН 
регистр общего назначения 
РПЗУ-ЭС 
репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием 
РПЗУ-УФ 
репрограммируемое ПЗУ со стиранием данных ультрафиолетовым 
лучом 
РТ 
распределитель тактов 
СДНФ 
совершенная дизъюнктивная нормальная форма 
СКНФ 
совершенная конъюнктивная нормальная форма 
СИС 
средняя интегральная схема 
СОИ 
система обработки информации 
СУП 
схема ускоренного переноса 
СШ 
системная шина 
ТЗ 
техническое задание 
ТЛ 
транзисторная логика 
ТТЛ 
транзисторно-транзисторная логика 
ТТЛШ 
транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки 
УА 
управляющий автомат 
УВВ 
устройство ввода-вывода информации 
УВв 
устройство ввода информации 
УВыв 
устройство вывода информации 
УГО 
условное графическое обозначение 
УУ 
устройство управления 
ФАМК 
формирователь адреса МК 
ЦАП 
цифро-аналоговый преобразователь 
ЦП 
центральный процессор 
ЦУУ 
центральное устройство управления 
ША 
шина адреса 
ШВВ 
шина ввода-вывода 
ШД 
шина данных 
ШУ 
шина управления 
ЭВМ 
электронная вычислительная машина 
ЭП 
элемент памяти; эмиттерный повторитель 
ЭСЛ 
эмиттерно-связная логика 

Основы теории компьютерной схемотехники 

Глава 1 

Основы теории компьютерной 
схемотехники 

1.1. Информационные основы компьютерной 
схемотехники 

1.1.1. Информатика, информация, сигналы и их 
представление 

Широкое применение компьютеров способствует научно-техническому развитию страны. Сфера использования компьютеров охватывает практически все виды 
человеческой деятельности. 
Компьютер — это программно управляемая физическая система, предназначенная для алгоритмической обработки информации, представленной сигналами. 
В широком смысле слова информация является отражением реального мира. 
Информация — это единственный неубывающий ресурс жизнеобеспечения. Более 
того: ее объем в настоящее время удваивается ежегодно. Информация, подготовленная для обработки на компьютерах, называется данными. 
Информационный процесс включает в себя такие этапы: 
1. сбор информации от различных источников и представление ее в форме, 
необходимой для ввода в компьютер; 
2. передачу (пересылку) информации от источника к приемнику; 
3. хранение — процесс передачи информации во времени; 
4. обработку — систематическое выполнение операций над данными; 
5. выдачу результата обработки пользователю. 
На всех этих этапах используют средства компьютерной схемотехники. К информации предъявляют следующие требования: 
• корректность (однозначность восприятия); 
• ценность (полезность) и оперативность (актуальность); 
• точность, достоверность и устойчивость (способность реагировать на изменения исходных данных); 
• достаточность (полнота) — наличие минимально необходимого объема информации для принятия правильного решения. 
Структуру и общие свойства информационных процессов изучают в информатике, которая включает: 
• теорию информации; 
• алгоритмические, программные и компьютерные средства обработки информации; 

1.1. Информационные основы компьютерной схемотехники   9 

• архитектуру компьютеров, системы искусственного интеллекта, вычислительные сети и т.д. 
В теории информации изучают процессы передачи, преобразования и хранения 
информации, в том числе: 
• методы определения количества информации в сообщении; 
• рациональные способы представления информации с помощью различных 
символов (букв, цифр и т.д.); 
• способы формирования, обнаружения и оценки параметров информационных процессов. 
Упорядоченную последовательность символов (букв, цифр, математических 
знаков, предназначенных для передачи информации), закодированную в материальной форме, называют сообщением. 
Информационное сообщение всегда связано с источником и приемником информации, соединенных каналом передачи (рис. 1.1). 
 
 
 
 

Рис. 1.1. Информационная модель канала передачи 

Источником и приемником информации могут быть как люди, так и технические 
устройства (компьютеры, датчики, индикаторы и др.). Каналом передачи (связи) 
называется совокупность устройств, имеющих один вход и один выход, предназначенных для передачи информации на расстояния. Сообщения могут иметь различные формы: звука, текста, изображения, электрического напряжения от датчиков 
(например, от термопар). 
Информационные сообщения размещают на машинных носителях информации. Носитель информации — это любая запоминающая предметная среда, предназначенная для записи и хранения информации с целью ее непосредственного 
ввода в компьютер. Носитель информации является промежуточным звеном между 
компьютером и первичным документом, содержащим числовые данные, текстовые 
материалы, схемы, графики, различные измерения. 
Хранение сообщений — это, как правило, три вида операций: запись, собственно хранение и считывание. Информация записывается в носитель посредством изменения физических или механических свойств запоминающей среды. Данные считываются посредством преобразования их в электрические сигналы. Считают, что в 
носителе информации сигнал хранится в закодированной форме. 
Носители информации различаются по следующим признакам: 
• средой накопления: непрерывные (магнитные ленты и диски) и дискретные, 
где каждой хранимой единице данных отводится свой дискретный участок 
или элемент (ферритовые сердечники, перфокарты, перфоленты, триггеры, 
криотроны и т.д.); 
• типом материала: бумага с текстом или рисунком; бумажные перфоленты, 
перфокарты; магнитные пленки, магнитные ленты и диски; полупроводниковые схемы памяти; 

Приемник 
информации 

Источник 
информации 

Канал  
передачи 

Основы теории компьютерной схемотехники 

• способом считывания данных: механические, оптические, магнитные, электрические; 
• конструктивным исполнением: ленточные, дисковые, электронные и др. 
Для передачи информации от источника к приемнику сообщение преобразовывают в сигналы. Согласно ДСТУ 2938–94 “сигнал — это изменение физической величины, используемой для передачи данных”. Таким образом, сигнал образуется на 
основе некоторой физической величины (электромагнитные или акустические колебания, электрическое напряжение и др.), традиционно называемой энергетическим 
носителем, и изменения одного или нескольких ее параметров (амплитуды, частоты, 
фазы, длительности и др.) по закону передаваемой информации. Считают, что сигнал — это материально-энергетическое воплощение сообщения. Посредством совокупности сигналов можно представить любое сложное сообщение. Сигнал может 
преобразовываться без изменения смысла информации из одной физической величины в другую, более удобную для передачи по каналу связи и обработки в схемах 
компьютера. Изменение параметров физической величины по закону передаваемого сообщения называют модуляцией, а изменяемые параметры — информативными. 
Сигналы классифицируют по таким признакам: 
• степени определенности ожидаемых значений — случайные и детерминированные; 
• структуре временного изменения — непрерывные и дискретные; 
• роли переданной информации в компьютеры — адреса, данные и управления; 
• особенностям спектрального представления — низкочастотные и высокочастотные, узкополосные и широкополосные; 
• способу преобразования — кодированные, декодированные, усиленные, 
дискретизированные и т.д.; 
• принадлежности к виду связи — телеграфные, телефонные, радиолокационные, междумашинные и внутримашинные; 
• характеру изменения кодированных сигналов в синхронизированные моменты времени — потенциальные и импульсные. 
В процессе передачи сигналов от источника к приемнику физические величины 
и способы их модуляции могут многократно изменяться, но содержание сообщения 
остается неизменным, поскольку оно определяется только законом модуляции. 
Для информационного обмена используют знаки различного ранга: 
• первый ранг — символы. Символ — это элементарная единица сообщения. 
Если число различных символов ограничено, то их совокупность называют 
алфавитом (например, буквы латинского алфавита, двоичные символы 0 и 
1 — в технических устройствах); 
• второй ранг — слова (группы символов), из которых строятся фразы и выражения. 
В общем случае способ формализованного описания различных сигналов (и 
соответственно сообщений) называется представлением информации. В теории 
информации рассматривают не физическое, а математическое представление сиг