التصميم الرقمي

يُعني التصميم الرقمي ( digital design ) بتصميم الدوائر الإلكترونية الرقمية..

ولهذا الموضوع أسماء أخـرى أيضــاً مثل التصــميم المنطقي ( logic design ) ودوائـر التشغيل (switching circuits ) والمنطق الرقمي (digital logic) والنظم الرقمية (digital systems) نُستخدم الدوائر الرقمية في تصميم نظم كالحواسيب الرقمية ( digital computers) والآلات الحاسبة الإلكترونيـة ( electronic calculators ) ونبائـــط] أو أجــهزة [ التحكــم الرقمــية (digital control devices ) ومعدات الاتصال الرقمية وتطبيقات أخرى عديدة تتطلب معدات رقمية إلكترونية. يعرض هذا الكتاب الأدوات الأساسية المستخدمة في تصميم الدوائر الرقمية ويقدم عدداً من الطرق والأساليب المناسبة لطائفة من تطبيقات التصميم الرقمي.

المكونات المستخدمة في بناء النظم الرقمية تكون محتواة داخل مغلفات دوائر متكاملة؛ فدوائر التكامل ذي النطاق الصغير ( small scale integration ) أو اختصاراً ( SSI ) تحتـــوي على عدة بوابات ( gates ) أو قلابات ( flip - flops ) في مغلفة واحـدة، أما نبائط التكامـل ذي النطـاق المتوسـط ( medium scale integration ) أو ( MSI ) فتتيح وظــائف رقمية معيّنة.. بينما تضــم نبائط التكامل واسع النطاق ( large scale integration ) أو ( LSI ) وحــدات قياسية حاسوبية ( computer modules ) كاملة. من المهم أن يكون مصمم الدوائر الرقمية ملماً بالمكونات الرقمية المتنوعة الموجودة في شكل دائرة متكاملة، ولذلك فإن هذا الكتاب يقدم مكونات MSI و LSI المستخدمة بكثرة مع شروح لخواصها المنطقية. استخدام الدوائر المتكاملة في تصميم الدوائر الرقمية موضح بأمثلة في الكتاب وفي المسائل الواردة في نهاية كل فصل وفي مجموعة من 15 تجربة مختبرية مقترحة.

يضم الكتــــاب 11 فصلاً، الفصـــــول من الأول إلى الخـــامس تتنــــاول الــدوائـــر التــوافقية ( combinational circuits)، أما الفصلين السادس والســابع فيغطيان الدوائــر التتابعية المتزامنة ( synchronous sequential circuits). هذه الفصول السبعة والفصل العاشر، الذي يتناول الدوائر المتكامـلة الرقـمية، مأخــوذة من كتـــــــاب المـــؤلف (( المنطق الرقمــي وتصــميم الحـاسوب)) ( Digital Logic & Computer Design) الذي نشرته دار ( Prentice - Hall ) في عام 1979. أما الفصول الثامن والتاسع والحادي عشر فهي تتناول – على الترتيب – (( آلات الحالة الخوارزمية)) ( algorithmic state machines )، أو ( ASM )، والدوائر التتابعية غير المتزامنة وتجارب مختبرية بدوائر متكاملة. تقدم الفصول الإحدى عشر معاً مجموعة مترابطة من الموضوعات المناسبة لمنهج دراسي أو في مجال التصميم الرقمي.

يعرض الفصل الأول مختلف النظم الثنائية التي تناسب تمثيل المعلومات في النظم الرقمية. أما الفصل الثاني فيقدم الجبر البوولي ( Boolean algebra ) مع مختلف البوابات المنطقية المستخدمة في بناء الدوائر الرقمية. يستعرض الفصل الثالث أساليب تبسيط الدوائر الرقمية باستخدام الخرائط والجداول.. كما يقدم طريقة منظمة لتنفيذ الدوال البوولية بمنطق نفي (( و)) ( NAND ) ومنطـق نفي (( أو )) ( NOR ). هذه الفصول الثلاثة الأولى توفر الخلفية الأساسية اللازمة لفهم بقية الكتاب.

يستعرض الفصل الرابع طريقة منهجية لتحليل وتصميم الدوائر التوافقية. يتناول الفصل الخامس مكونات دوائر MSI و LSI التوافيقية؛ فيشرح النبائط المستخدمة بكثرة، مثل الجـامعات ( adders ) والمقــارنات ( comparators ) ومفككـــات الشفرة ( decoders ) ومجمعـــات الإشـارة ( multiplexers) ويبين، بالأمثلة استعمالها في تصميم الدوار الرقمية. يقدم هذا الفصل أيضاً ذاكرة القـراءة فقـط ( ROM) ومنظـومة المنطق القـــابلة لبرمجة ( programable logic array ) أو ( PLA ) ويشرح فائدتهما في تصميم الدوائر التوافيقية المعقدة. يستعرض الفصل السادس طرقاً منهجية متنوعة لتحليل وتصميم الدوائر التتابعية المزامنة بالساعة. يقدم الفصل السابع مكونان MSI تتابعية متنوعة كالمسجلات والعــــــدادات ومسجــــلات الإزاحـــة ودائـرة الــوصول العشوائي (RAM).

يقدم الفصل الثامن أسلوب (( آلات الحالة الخوارزمية)) المستخدم في التصميم الرقمي. خارطة آلات الحالة الخوارزمية عبارة عن خارطة خاصة لسير العمليات ( flowchart ) تناسب وصف العمليات التي تتم على التوالي وعلى التوازي كليهما في المعدات الرقمية. يضم الفصل عدداً من أمثلة التصميم لشرح تطبيق خارطة آلات الحالة الخوارزمية في تصميم منطق التحكم الخاص بالنظم الرقمية. يقدم الفصل التاسع طرقاً تبين كيف يمكن تنفيذ دائرة تتابعية غير متزامنة كدائرة توافيقية ذات تغذية مرتدة ( feedback ) أو كدائرة تستخدم سقاطات SR. يتناول الفصل العاشر إلكترونيات الدوائر الرقمية ويقدم أشهر عائلات المنطق الرقمي التي تستخدم الدوائر المتكاملة ( IC digital logic families ). يتطلب هذا الفصل شيئاً من المعرفة بالإلكترونيات الأساسية ولكن ليس هنالك شرط مسبق معيّن لفهم باقي الكتاب.

يبين الفصل الحادي عشر بإيجاز خمس عشرة تجربة يمكن إجراؤها في المختبر باستعمال معدات متوفرة بأسعار زهيدة. تستخدم هذه التجــارب دوائر متكاملة قياسية من نوع منطق ترانزيستور – ترانزيسـتور ( TTL )، ولتوضيح عمل الدوائر المتكاملة يُطلب الرجوع إلى مخططات ( diagrams) في الفصول السابقة حيث وردت لأول مرة مكونات مشابهة. كل تجربة من هذه التجارب معروضة بطريقة غير منهجية، بدلاً من طريقة خطوة فخطوة، وذلك توقعاً لقيام الطالب بعمل تفاصيل مخطط الدائرة ووضع طريقة ما لمراقبة تشغيل الدائرة في المختبر.

يضم كل فصل مجموعة من المسائل وقائمة بالمراجع. يحتوي الملحق على حلول لمسائل مختارة بقصـد مساعدة الطالب والقارئ المستقل، وهنالك مرشد خاص بالحلول متاح للمدرسين من قِبل الناشر.