20.Эволюция элементарной базы и поколения эвм
20.1.Базисные логические элементы
Первые компьютеры тридцатых и начала сороковых годов XX века в качестве элементарной базы использовали электромеханические реле. Электронные лампы, изобретенные в начале XX века, использовались в качестве элементов радиоприемных устройств.
Примечание. Существенный вклад в совершенствование электронных радиоламп внесла Нижегородская радиолаборатория, функционирующая с 1918-го по 1928-й год. (НРЛ-технопарк в оригинале. Нижний Новгород, из-во Ниж. гор. у-та, 2008.).
Во время второй мировой войны бурными темпами развивалась радиолокация, также использующая электронные лампы, которые постоянно совершенствовались. Как при радиоприеме, так и в радиолокации электронные лампы использовались в качестве усилителей непрерывного сигнала. Конструкторы компьютеров сообразили, что та же радиолампа может работать в режиме электронного реле, заменяя тем самым электромагнитное реле. Таким образом, первое поколение серийных компьютеров в качестве элементарной базы использовало логические элементы, реализованные на электронных лампах.
Электронная лампа (триод) реализована следующим образом. В стеклянном баллоне, из которого откачен воздух, располагаются электроды (Рис. 71.a). Катод, который нагревается нитью накала и вокруг которого (вследствие высокой температуры) образуется облако электронов. Когда на анод подается высокое положительное напряжение V, электроны, имеющие отрицательный заряд, устремляются к этому электроду. Поток электронов образует ток i, протекающий от катода к аноду. Напряжение выхода Vout = V(R1i). Величина катодно-анодного тока и, следовательно, величина выходного напряжения определяется величиной напряжения на сетке.
В режиме ожидания напряжение vin на входе равно нулю, напряжение на сетке v = v*, лампа приоткрыта, катодно-анодный ток i* небольшой и напряжение выхода Vout= V* = V+ (R1i*) (рис.71.b).
На время подачи на вход положительного импульса напряжения vin напряжение на сетке становится v = v1 >v* лампа открывается полностью, катодно-анодный ток i1 возрастает до максимума, и напряжение выхода Vout = V0 = V+(R1i1) = 0 (рис.71.b).
На время подачи на вход отрицательного импульса напряжения vin, v = v0 <v* лампа закрывается, катодно-анодный ток i0 = 0, и напряжение выхода Vout = V1 = V+ (рис.71.b).
Таким образом, ламповая электронная схема рис. 57.a играет роль вычислителя базисной логической функции отрицания: положительный импульс напряжения на входе (логическое значение "1") дает на выходе отрицательный импульс напряжения (логическое значение "0") и наоборот. В электронике такая схема называется "инвертор".
Рис. 71. Инвертор на электронной лампе (a) и на транзисторе (c)
Транзистор (от англ. transfer - переносить и resistor - сопротивление) – это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Транзистор делается на основе монокристаллического полупроводника, который содержит не менее трёх областей с различной проводимостью.
Датой создания транзистора считается 23 декабря 1947 года, когда в лаборатории Bell Telephone Laboratories был создан трехэлектродный полупроводниковый прибор. Его авторами являлись Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Бремен (Walter Brattain) и Уильям Брэдфорд Шокли (William Bredford Chockley).
Управление тока в выходной цепи осуществляется за счет изменения входного тока (в биполярном транзисторе), либо входного напряжения (в МОП транзисторе). Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).
Физические законы функционирования транзисторов существенным образом отличаются от физических законов функционирования электронных ламп. Однако, инвертор, реализованный на электронной лампе (Рис. 71.a), с логической точки зрения эквивалентен инвертору, реализованному на транзисторе (Рис. 71.c). Эмиттер играет роль катода, коллектор – анода, база – играет роль сетки.
Напомним, что любую логическую функцию можно представить в виде суперпозиции трех базисных функций: отрицания, конъюнкции и дизъюнкции. Однако, в практике компьютеростроения, по чисто техническим причинам, предпочитают использовать другой набор базисных логических функций: НЕ (отрицание), НЕ-И (отрицание конъюнкции), НЕ-ИЛИ (отрицание дизъюнкции). Доказано, что с помощью этих трех базисных функций также можно представить любую логическую функцию. Транзисторные вычислители этих базисных функций принято называть "вентилями" (рис. 72).
Рис. 72. Транзисторный вентиль НЕ (a), вентиль НЕ-И (b), вентиль НЕ-ИЛИ (c)
Условные обозначения вентилей и таблицы истинности соответствующих функций приведены на рис. 73.
Рис. 73. Обозначение вентилей – вычислителей базисных логических функций и соответствующие таблицы истинности
Соединения различных базисных элементов позволяют реализовать комбинационные схемы компьютера: мультиплексоры, декодеры, арифметические устройства и т.д.