Системы логических элементов

Лекция 4 Элементы и функциональные узлы ЭВМ. Элементы средств вычислительной техники.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение конституанты единицы (нуля).

2. Дайте определение СДНФ.

3. Дайте определение СКНФ.

4. Приведите примеры функций, записанных в СДНФ (СКНФ).

5. Какую функцию называют булевой?

6. Способы задания булевых функций.

7. Табличный способ задания булевой функции.

8. Аналитический способ задания булевой функции.

9. Геометрический способ задания булевой функции.

10. Формы задания функций.

11. Способы минимизации булевых функций.

Структурная схема средств вычислительной техники строится на основании комбинации различного рода логических элементов и узлов.

По своему назначению элементы средств вычислительной техники делятся на:

- логические – логическое И, логическое ИЛИ, логическое отрицание и их комбинации;

- памяти – триггеры статические и динамические, ферромагнитные, оптоэлектронные элементы памяти и их комбинации;

- вспомогательные – усилители, ограничители, формирующие схемы и т.д.;

- специальные – усилители записи-считывания для магнитных головок, усилители считывания с фотодиодов, формирователи, задающие генераторы, повторители, генераторы одиночных сигналов, индикаторные схемы и т.д.

Логические элементы и элементы памяти называют основными функциональными элементами средств вычислительной техники.

Комплекс основных функциональных, вспомогательных и специальных элементов, на основе которых разрабатывается средство вычислительной техники, называется системой элементов. К системе элементов предъявляются следующие общие требования:

- выбранная система элементов должна быть функционально полной, т.е. допускать создание любых логических устройств и обеспечивать требуемое быстродействие;

- величина мощности рассеяния каждого элемента должна быть минимальной;

- необходимо, чтобы коэффициент объединения по входу и коэффициент разветвления по выходу допускали создание типовых узлов с минимальным колическтвом элементов;

- необходимо наличие требуемой надежности и помехозащищенности;

- система элементов должна обеспечивать минимальную стоимость изделия;

- технология изготовления элементов должна обеспечивать высококачественное производство с внедрением автоматизации.

Элементами цифровой ЭВМ называют те наименьшие функциональные части, на которые разбивается машина при ее логическом проектировании и технической реализации. Элементы цифровых устройств и ЭВМ служат для выполнения различных функций: логических операций, хранения информации, усиления, восстановления и формирования сигналов, представляемых в виде двоичных чисел.

В настоящее время элементы, представляющие собой интегральные схемы (ИС), позволяют строить практически все узлы и блоки ЭВМ. На базе современных интегральных схем, выпускаемых электронной промышленностью, создают также малогабаритные и высоконадежные специализированные цифровые устройства и автоматы, реализующие определенную логику. Интегральные схемы по конструктивно- технологическому выполнению делятся на три группы: полупроводниковые, гибридные и прочие. К последней группе относят пленочные ИС, а также ИС вакуумные и керамические. Гибридные ИС, главным образом, находят применение при создании аналоговой аппаратуры. Особенно удобно использовать их для реализации нестандартных функций, когда требуются конденсаторы большей емкости, высокоомные, высокостабильные или прецизионные резисторы. Однако, несмотря на высокую гибкость гибридной технологии, эти ИС уступают полупроводниковым ИС по надежности, плотности размещения и себестоимости. Полупроводниковые ИС целесообразно использовать для построения цифровых ЭВМ и устройств с высокой надежностью и плотностью размещения, а также для размещения стандартных аналоговых функций.

Далее будут рассмотрены, главным образом, полупроводниковые цифровые ИС. Интегральные схемы разрабатывают и выпускают в виде систем или серий. Системой элементов интегральных схем называют набор ИС, которые выполняют различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и общие электрические параметры.

Выпускаемые промышленностью серийные ИС условно обозначают сочетаниями букв и цифр. Первой в обозначении ИС указывают цифру, соответствущую конструктивно-технологической группе: 1, 5, 7 - ИС полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 - ИС гибридные; 3 - прочие. Далее следуют две цифры, присвоенные данной серии ИС как порядковый номер разработки. Таким образом, первые три цифры определяют полный номер серии ИС. После номера серии указывают две буквы, соответствующие подгруппе и виду ИС. Последний элемент обозначения определяет порядковый номер разработки ИС по функциональному признаку в данной серии. Иногда в конце условного обозначения добавляют букву, определяющую технологический разброс электрических параметров или тип корпуса ИС (в некоторых сериях). Для ИС широкого применения в начале условного обозначения указывают букву "К". Например, К155ЛА1 полупроводниковая ИС широкого применения серии 155 - представляет собой логическую микросхему, содержащую два логических элемента И-НЕ, каждый из которых имеет четыре входа (т.е. два элемента 4-И-НЕ).

В состав большинства современных серий цифровых ИС входят логические элементы (ЛЭ). Среди существующих ЛЭ (потенциальных, импульсных, импульсно- потенциальных) наиболее широкое распространение получили потенциальные ЛЭ, отличительными чертами которых является наличие связи по постоянному току между входами и выходами схем. Схемотехническая реализация многообразия цифровых ИС потенциального типа осуществляется на основе ряда типовых базовых функциональных элементов, выполняющих логические функции НЕ, И-НЕ, ИЛИ- НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др. Их основные электрические параметры определяют характеристики практически всех ИС, входящих в состав серии. Эти параметры определяют возможность совместной работы ИС разных серий в составе аппаратуры. Ряд основных электрических параметров является общим для всех типов цифровых ИС и позволяет сравнивать их между собой. К таким параметрам относятся: коэффициент объединения по входу (К_об), коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность (К_раз)), помехоустойчивость (U_n), быстродействие, потребляемая мощность (Р).

Коэффициент объединения по входу определяет максимальное число входов ЛЭ ИС. Коэффициент разветвления по выходу характеризует число элементов данной серии, которые (с одним входом) можно одновременно подключить к выходу ЛЭ, не нарушая его работоспособности. С увеличением коэффициентов Коб и Краз расширяются возможности применения ЛЭ, уменьшается число корпусов в разрабатываемом цифровом устройстве. Однако с увеличением числа входов и нагрузок некоторые параметры ЛЭ ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость и увеличивается потребляемая мощность. Поэтому в состав серии ИС наряду с основными ЛЭ, имеющими К_об=2-4 и К_раз=4-10, включают "расширители" и мощные буферные элементы с К_раз=20-30.

Потенциальные ЛЭ при работе в составе цифрового устройства могут находиться либо в статическом режиме, который характеризуется одним из двух состояний ("0" или "1"), либо в стадии переключения. В зависимости от типа ЛЭ мощность, потребляемая от источника питания, различна для каждого из этих состояний. Логические элементы, которые потребляют большую мощность в статическом режиме (а малую в динамическом), характеризуются средней потребляемой мощностью:

P_пот.ср=0,5(P⁰пот+P¹_пот)

где Р⁰_пот - мощность, потребляемая схемой в состоянии "0", а Р¹_под - то же в состоянии "1" Логические элементы с большим потреблением мощности в динамическом режиме, кроме статической Р_пот.ср, характеризуются мощностью, потребляемой на максимальной частоте переключения, когда резко возрастают токи в цепях питания.

Помехоустойчивость. ЛЭ рассматривают в статическом и динамическом режимах. Статическая помехоустойчивость ЛЭ U_п определяет величину напряжения (помехи при самопроизвольном изменении уровня сигнала), которое может быть подано на его вход относительно уровня логического "0" или логической "1", не вызывая ложного срабатывания ЛЭ. Различают помехоустойчивость по уровню " 0 " (U⁰_n) и по уровню "1" (U¹_n). Величину U⁰_n и U¹_n определяют с помощью передаточных характеристик. Для полной оценки помехоустойчивости ЛЭ наряду со статической необходимо учитывать динамическую помехоустойчвость. Помехоустойчивость в динамическом режиме зависит от длительности, амплитуды и формы сигнала помехи, а также от уровня статической помехоустойчивости и быстродействия ЛЭ.

Быстродействие ЛЭ определяется следующими динамическими параметрами: t^0,1 - время перехода от уровня "0" к уровню "1"; t^1,0 - время перехода от уровня "1" к уровню "0"; t^1,0_зд - время задержки включения, t^1,0_зд - время задержки выключения; t^1,0_здр - время задержки распространения при включении; t^0,1_здр - время задержки распространения при выключении; t^0,1_здр - среднее время задержки распространения; t_и - длительность импульса, t_р - рабочая частота. Среднее время задержки распространения сигнала ЛЭ определяется как

t_здр.ср=0,5(t^1,0_здр+t^0,1_здр).

На временных диаграммах отсчетные точки, по которым определяют t^0,1, t^1,0, t^1,0_здр и t^0,1_здр, обычно располагают на уровнях 0,1 и 0,9 номинальных значений входного и выходного сигналов. t^1,0_здр и t^0,1_здр измеряют на уровне 0,5 логического перепада входного и выходного сигналов.

Кроме рассмотренных выше основных электрических параметров каждая система ЛЭ характеризуется номиналами питающих напряжений, допусками на величины этих напряжений, полярностью и уровнем входных и выходных сигналов. Следует отметить также, что качество современных интегральных элементов цифровой вычислительной техники часто характеризуют одним обобщенным параметром фактором добротности, определяемым произведением средней мощности, потребляемой одним ЛЭ на время его переключения.

В цифровых ИС в качестве активных компонентов используют биполярные и униполярные интегральные транзисторы. ИС с биполярными транзисторами (с проводимостями типа n-p-n и p-n-p) отличаются высоким быстродействием и лучшей нагрузочной способностью. ИС с униполярными транзисторами (со структурой pМОП, nМОП, КМОП) отличаются наиболее высокой степенью интеграции, большой экономичностью по потребляемой мощности (микроватты) и относительно малой стоимостью изготовления.

Основная литература: 1 [90-145]; 2 [83-138]; 3 [80-93];

Дополнительная литература: 1 [93-122]; 2 [98-156];

Контрольные вопросы:

1. На чем строится структурная схема средств вычислительной техники?

2. Как классифицируются по назначению элементы средств вычислительной техник?

3. Назначение логических элементов?

4. Назначение элементов памяти?

5. Назначение вспомогательных элементов?

6. Назначение специальных элементов?

7 Требования, предъявляемые к системе элементов.