ГЛАВА 4
ФПТ 2009
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Бабич Н.П., Жуков И.А. Компьютерная схемотехника. – Киев. МК-Пресс, 2004 -576 с.
А.П.Жмакин. Архитектура ЭВМ. – С-П. БХВ-Петербург, 2008 – 315 с.
А.В.Кузин, М.А.Жаворонков. Микропроцессорная техника. Учебник – М. Академия, 2006 -301 с.
А.Н.Морозевич и др. МикроЭВМ, микропроцессоры и основы программирования. Минск. Высшая школа, 1990 – 348 с.
Н.П.Сергеев, Н.П.Башкевич. Основы вычислительной техники. Учебное пособие для ВУЗов – М. Высшая школа, 1988 – 308 с.
4.1 Основные характеристики цифровых микросхем |
Понятие элементов, узлов и устройств в схемотехнике
Характеристики логических элементов
Понятие элементов, узлов и устройств в схемотехнике
Технические средства компьютерной схемотехники в зависимости от выполняемых функций, делят на элементы, функциональные узлы и устройства, а также микропроцессоры и компьютеры (рис. 4.1). Они предназначены для обработки дискретной информации и потому называются цифровыми.
|
|
Технические средства компьютерной схемотехники в настоящее время основаны на интегральных микросхемах (ИМС) разной степени сложности.
Элементы |
Узлы |
Устройства |
Компьютер |
Рисунок 4.1-Состав технических средств компьютерной схемотехники
Элементами в компьютерной схемотехнике называются наименьшие неделимые микроэлектронные схемы (изделия), предназначенные для выполнения логических операций или хранения бита информации.
К элементам условно относятся и вспомогательные схемы — усилители, повторители, формирователи и др. Элементы строятся на основе двухпозиционных ключей, что технически реализуется наиболее просто.
Элементы с двумя состояниями называются двоичными.
На входах и выходах двоичного элемента действуют напряжения, которые принимают в установившемся режиме два значения — высокого UH и низкого UL уровней (индексы от английских слов High и Low). Эти напряжения отображают электрические сигналы. Сигнал с двумя состояниями называется двоичным. Переход элемента из одного состояния в другое называется его переключением. На основе элементов строят типовые функциональные узлы.
Элементарные действия, выполняемые в компьютерах за один машинный такт, называются микрооперациями. Например, инкремент или декремент слова, сдвиг, инверсия, сложение и др. В компьютерах команды выполняют последовательностью микроопераций над двоичными словами (числами).
Типовыми функциональными узлами компьютеров называются микроэлектронные схемы, предназначенные для выполнения одной или нескольких микроопераций.
|
|
По логике работы функциональные узлы разделяют на комбинационные и последовательностные схемы.
В комбинационных схемах логическое состояние выходов элементов зависит только от комбинации входных сигналов в данный момент времени. К функциональным узлам комбинационного типа относятся сумматоры, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, схемы сравнения (компараторы) и контроля по четности, кодопреобразователи.
В последовательностных схемах логическое значение выходов определяют как комбинацией выходных сигналов, так и состоянием памяти схемы в данный момент времени. К функциональным узлам последовательностного типа относятся регистры, счетчики, генераторы чисел и управляющие автоматы.
На основе функциональных типовых узлов строят различные устройства компьютеров.
Универсальность компьютеров обеспечивает возможность приема и выдачи информации, ее хранения и арифметико-логической обработки, а также управления всем вычислительным процессом.
Эти функции реализуют соответствующими устройствами ввода, вывода, запоминающими, арифметико-логическими и управления.
Во всех компьютерах используют генератор тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает периодическую последовательность прямоугольных импульсов, называемых тактовыми (С). Начало каждого импульса С называется тактовым моментом.
Временной интервал между двумя соседними импульсами С называется машинным тактом Тс. Вначале каждого импульса С происходит смена информации на входах элементов и узлов машины (рис. 4.2).
Рисунок 4.2-Временная диаграмма ГТИ
Частота ГТИ измеряется десятками, сотнями мегагерц и гигагерцами. В литературе ГТИ часто называют генераторами синхронизирующих импульсов, а сами импульсы называют синхронизирующими или синхроимпульсами. Амплитуда и полярность импульса С зависит от физических принципов построения машины.
Принцип подачи информации на входы элементов и узлов в тактовые моменты называется дискретизацией сигналов во времени.
В компьютерной схемотехнике используются два основные вида двоичных сигналов: потенциальные и импульсные (рис. 4.3).
Рисунок 4.3-Диаграммы потенциальных (ПС) и импульсных (ИС) сигналов
Сигнал, который изменяется только в тактовые моменты времени, называется потенциальным.
Сигнал, который нарастает в тактовый момент, а спадает в пределах данного такта, называется импульсным.
Длительность потенциального сигнала равна или кратна длительности машинного такта.
В логике значения двоичного сигнала и соответствующей переменной X кодируются символами 0 (лог. 0) и 1 (лог. 1).
Напряжение, отображающее символ 1, обозначим через U1, а символ 0 — через U0.
Различают два способа кодирования логических сигналов Xi потенциальными сигналами — положительный и отрицательный.
При положительном кодировании (положительная логика или соглашение) больший уровень напряжения UH с учетом знака отображает лог. 1, а меньший UL — лог. 0, то есть X = 1, если U1 = UH, и X = 0 при U0 = UL (рис. 4.4, а).
При отрицательном кодировании (отрицательная логика или соглашение) больший уровень напряжения UH с учетом знака отображает лог. 0, а меньший UL — лог. 1, то есть Х= 1, если U1= UL, и X = 0 при U0 = U„ (рис. 4.4, б).
Рисунок 4.4-Логические соглашения:
а) –положительная логика, б)-отрицательная логика
Для импульсных сигналов различают два рода кодирования (рис. 4.5):
первый — наличие импульса отображает лог. 1, отсутствие — лог. 0;
второй — наличие импульса одной полярности отображает лог. 1, а другой полярности — лог. 0.
Рисунок 4.5-Импульсное кодирование: а)-первого рода, б)-второго рода
Элементы компьютеров классифицируют по следующим признакам:
• используемым физическим приборам;
|
|
• виду информационных сигналов;
• функциональному назначению;
• конструктивно-технологическому изготовлению;
• уровню и степени сложности.
По типу физических приборов различают следующие элементы: построенные на электронных лампах — первое поколение; на транзисторах — второе поколение; на ИМС малой и средней степени интеграции — третье поколение; на больших и сверхбольших ИМС — четвертое поколение.
По виду информационных сигналов выделяют:
• потенциальные элементы — используются только потенциальные сигналы;
• импульсные элементы — используются только импульсные сигналы;
• потенциально-импульсные элементы — используются потенциальные и импульсные сигналы.
По функциональному назначению элементы компьютерной схемотехники делятся на следующие классы:
• логические элементы, предназначенные для выполнения логических операций — НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ, НЕ-И-ИЛИ и др.;
• запоминающие элементы — триггеры, предназначенные для хранения значения одной двоичной переменной — нуля или единицы, то есть одного бита информации;
• вспомогательные элементы (усилители, формирователи, преобразователи сигналов, схемы временного согласования, генераторы импульсов и др.), предназначенные для обеспечения работы элементов первых двух классов.
По конструктивно-технологическому изготовлению элементную базу современной компьютерной схемотехники составляют интегральные микросхемы. Это — микроэлектронные изделия с высокой плотностью упаковки электрорадиоэлементов (резисторов, диодов, транзисторов) и соединений между ними. С точки зрения спецификации, испытаний, поставки и эксплуатации ИМС рассматриваются как единое целое.
В ИМС электрорадиоэлементы называются элементами, если они неотделимы от схемы, и компонентами, если их можно использовать самостоятельно. Далее, во избежание путаницы с элементами компьютеров, электрорадиоэлементы называют просто компонентами.
Микросхемы классифицируют по следующим основным признакам:
|
|
• технологии изготовления — полупроводниковые, гибридные, пленочные;
• конструктивному оформлению — корпусные и бескорпусные;
• форме обработки информации — аналоговые, цифровые и аналого-цифровые;
• степени интеграции (сложности) — малые, средние, большие, сверхбольшие и ультрабольшие;
• типу активных элементов — построенные на биполярных и МОП-транзисторах;
• области применения — широкого применения, специализированные, в том числе заказные и полузаказные;
• используемым материалам — кремниевые, арсенид-галлиевые;
• перспективным направлениям — криомикроэлектронные, акустоэлектрон-ные, оптоэлектронные, молекулярной электроники и др.
Набор цифровых микросхем с общими конструктивно-технологическими и схемотехническими признаками образует серию ИМС. В компьютерной схемотехнике широко применяются цифровые полупроводниковые корпусные ИМС на основе кремния и арсенида галлия. В полупроводниковых ИМС все компоненты и соединения между ними выполнены в объеме и на поверхности кристалла площадью от 4 до 100 мм2. В гибридных ИМС навесные компоненты крепятся на поверхности диэлектрической подложки. В пленочных ИМС все компоненты и соединения между ними выполнены в виде тонких пленок на диэлектрической подложке.
Сложность микросхем характеризуется:
- уровнем интеграции N, где: N -число компонентов (комп).
- степенью интеграции К = lg/V
-степенью функциональной сложности F = IgL,
где: L -число двухвходовых логических элементов (вентилей);
(значение десятичного логарифма округляется до большего целого числа).
Промышленность изготовляет ИМС от первой (менее 10 комп.) до шестой (менее 1 млн комп.) и выше степени интеграции.
Возможности интегральной технологии определяет плотность упаковки: соотношение числа компонентов к объему (иногда к площади) кристалла.
Плотность упаковки в полупроводниковых ИМС составляет 107 комп. /см3, а для гибридных— 100-200 комп. /см3.
Малая интегральная схема (МИС) содержит до 100 комп. включительно, средняя микросхема (СИС) — 100-1000 комп., большая интегральная схема (БИС) — до 100000 комп., сверхбольшая интегральная микросхема (СБИС) — до 1 млн. комп., а ультрабольшая (ультра-БИС) — до 10 млн. комп. и больше.
На МИС строят элементы, на СИС реализуют типовые узлы, на БИС, СБИС и ультра-БИС обеспечивается построение микропроцессоров и микрокомпьютеров.
Каждая элементарная логическая функция реализуется соответствующим логическим элементом: ИЛИ (дизъюнктор), И (конъюнктор), НЕ (инвертор).
Для реализации сложных функций логические элементы объединяются в логическую схему.
Функционально полная система логических элементов позволяет построить любую сложную логическую схему.
Такие системы образуются следующими наборами логических элементов:
1) ИЛИ, НЕ;
2) И, НЕ;
3) НЕ-ИЛИ;
4) НЕ-И и другими.
В технически полной системе элементов обеспечивается значение электрических параметров двоичных сигналов, для этого используются вспомогательные элементы — усилители, повторители, формирователи и др.
С учетом вышеизложенного можно сказать, что система элементов представляет собой функционально и технически полный набор элементов, который использует одинаковые способы представления информации, а также имеет общие конструктивно-технологические характеристики.