книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Условия надежности работы цифровых автоматов. При реализации схемы автомата на базе реальных электронных элементов и связей возникает вопрос о надежности работы. Искажения сигналов при пре­ образовании информации в схемах автоматов, которые могут стать источником ненадежного функционирования автомата, должны быть проанализированы еще на этапе логического структурного синтеза.

Рассмотрим причины, вызывающие искажения сигналов в чисто потенциальных электронных автоматах. В качестве элементно-техно­ логической базы современных автоматов используют интегральные схемы, в которых применяют потенциальный способ представления и переработки информации.

В асинхронных потенциальных логических схемах выходы запоми­ нающих элементов через схемы обратной связи, образованные логи­ ческими элементами, управляют своими же входами, а поскольку для всех реальных элементов свойственна внутренняя инерционность сра­ батывания, то сигналы, поступающие в одно место по различным цепям, имеют неодинаковое время задержки. В связи с этим на входы запоми­ нающих элементов возможно поступление сигналов с некоторым разбросом по времени. Если при переходе автомата из состояния qt в состояние q} несколько запоминающих элементов должны изменить свое состояние, то из-за различия во временах срабатывания и вре­ менной дисперсии поступления входных сигналов в автомате могут начаться так называемые «гонки» или «состязания». Элемент, изме­ нивший свое состояние раньше других элементов, может через собственную цепь обратной связи изменить сигналы на входах по­ следних до того, как они установятся в заданное условиями информа­ ционное состояние. Следовательно, «гонка» может привести к пере­ ходу автомата в состояние, отличное от заданного таблицей пере­ ходов.

Решением проблемы «гонок» являются: разработка структуры автомата и условий для функционирования, исключающие неодно­ значность перехода последнего из одного состояния в другое; переход к синхронному принципу управления работой автомата.

Например, исключение необходимости переброса запоминающих элементов, связанных друг с другом, соответствующим кодированием состояний автомата.

В гл. 3 будет показано, что для потенциальных интегральных схем необходимо при синхронном принципе управления работой автомата удвоить число запоминающих элементов и ввести специальную серию синхронизирующих импульсов от общего для автомата генератора стандартных временных сигналов.

В асинхронных потенциальных логических схемах вследствие неодновременности установления выходных сигналов на «1» и «О» выходах (например, из-з'а разных нагрузок на выходах запоминаю­ щих элементов) может возникнуть неопределенность сигналов типа А — А или А — А вместо сигналов типа А — А или А — А. Поэтому на нагрузочные логические схемы поступят одинаковые логические сигналы, сохраняющиеся некоторый конечный промежуток времени. Эти сигналы могут вызвать срабатывание запоминающих элементов,

50

которые не должны были изменить свое состояние, или предотвратить срабатывание тех элементов, которые должны были изменить свое состоянйе.

Риск неправильного срабатывания имеет место лишь для запоми­ нающих элементов, которые должны сохранять свое состояние в тече­ ние рассматриваемого такта. Поэтому необходимо определить усло­ вия, исключающие риск.

Если автомат построен по схеме противогоночного кодирования, т. е. в течение каждого такта изменяется состояние только одного запоминающего элемента, то условия риска проверяют анализом пере­ ключательных функций автомата: Ft (Alt А 2....... A h Blt В2, ..., В т), где 1 = 1,2, ..., п; т — постоянные, определяемые количеством вхо­ дов запоминающих элементов. Риск неправильного срабатывания будет чотсутствовать, если значения переключательной функции сохраняются при подстановке одного и того же значения («О» или «1») аргументов входных сигналов в выражение для переключательной функции.

Пример. Пусть определена переключательная функция трех переменных

F = А В + АС.

Необходимо определить условия риска.

Поскольку только переменная А может иметь прямое и инверсное значения, то

существует риск по переменной А. При значении А = А = 0 функция F = 0 не

зависит от значений аргументов В и С.

Принято рассматривать возможность риска неправильного сра­ батывания в определенном информационном состоянии. Риск нулевого информационного состояния имеет место в том случае, когда подста­ новка прямого и инверсного значений аргументов приводит к изме­ нению значения функции Ft с «О» на «1». Изменение значения функции с «1» на «О» свидетельствует наличие риска единичного информацион­ ного состояния. Структурная схема свободна от риска неправильного срабатывания, если отсутствует риск по любому из аргументов пере­ ключательной функции автомата.

Итак, переключательная функция представления структуры авто­ мата в ДСНФ обеспечивает отсутствие риска в нулевом информацион­ ном состоянии, а переключательная функция представления струк­ туры автомата в КСНФ обеспечивает отсутствие риска в единичном информационном состоянии.

Рассмотрим пример синтеза схемы цифрового автомата, иллюстрирующий необ­ ходимость учета надежности функционирования автомата на стадии логического структурного проектирования.

Пример. Пусть необходимо построить схему переноса г-го разряда параллель­ ного сумматора, в котором суммирование осуществлено на запоминающих элемен- ' тах. В данном i-м разряде суммируются переменные Л,- и В,- двух слагаемых и зна­

чение переноса С,- из предыдущего i — 1 разряда, при этом

£ = А{ + -f- Ct,

а перенос С;+1 в следующий разряд

Cj+x = A[Bi ф- Afii ф- Bfii.

51

Г л а в а 2

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ЦВМ И ВС

§ 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ЦВМ И ВС

Современные ЦВМ собираются из конечного числа электронных элементов, являющихся типовыми по физическим принципам функ­ ционирования (электронные потоки в вакуумных устройствах, потоки заряженных частиц в твердом теле полупроводников и т. д.) и выпол­ няемым логическим функциям.

Электронным элементом ЦВМ называют электронную схему, представляющую собой некоторую совокупность определенным обра­ зом соединенных деталей или компонентов и выполняющую одну или несколько простейших логических или вспомогательных функций.

К электронным элементам ЦВМ предъявляют следующие техниче­ ские требования:

а) типы выбранных элементов должны обеспечивать возможность ростроения сложной системы, реализующей выполнение заданного алгоритма работы;

б) количество типов элементов должно быть не очень большим, для обеспечения взаимозаменяемости и простоты эксплуатации слож­ ных систем;

в) должны быть предусмотрены электронные элементы, не выпол­ няющие логических функций, но позволяющие согласовать по нагру­ зочным характеристикам логические элементы и обеспечивать форми­ рование электрических сигналов;

г) применяемые элементы должны быть технологичными в изго­ товлении, удобными для проверки электрических параметров и макси­ мально простыми по функционированию, типу и количеству приме­ няемых деталей или компонентов.

Система элементов ЦВМ должна быть функционально и технически полной, т. е. должна:

а) обеспечивать построение логических схем ЦВМ для реализации полного набора переключательных функций;

б) иметь специальные элементы, обеспечивающие возможность построения управляющих цепей, запоминающих устройств и цепей связи запоминающих и логических устройств;

в) иметь элементы, обеспечивающие работу электромеханических компонентов и устройств ЦВМ (реле, переключателей, механизмов перфорации и печати), а также схем связи различных устройств с УВВ информации;

53

г) иметь элементы индикации информационных состояний и гене­ рации высокостабильных тактовых сигналов.

По назначению электронные элементы делят на: логические; за­ поминающие; усилительно-формирующие; специальные.

Взависимости от способа кодирования двоичных переменных электронными сигналами электронные элементы могут быть: импульс­ ными; потенциальными; потенциально-импульсными; фазовыми.

При импульсном кодировании «1» обычно представляется наличием импульса, а «О» — его отсутствием. В потенциальных элементах входные и выходные переменные кодируются различной величиной электрического потенциала (уровней сигналов). В потенциально­ импульсных элементах на.входы схем могут подаваться потенциальные сигналы и электрические импульсы. Выходные информационные сиг­ налы имеют импульсный характер. В фазовых элементах используют сигналы в виде синусоидальных напряжений, а двоичные переменные «1» и «О» кодируются фазой синусоидальных сигналов.

Способ кодирования информации определяет специфику построе­ ния системы элементов, а также ее основные параметры. Например, уровень рассеиваемой мощности наиболее высокий у потенциальной системы элементов, наименьшая затрачиваемая мощность — в импульс­ ной системе элементов. Но в связи с развитием микроэлектронных логических схем, однако, наиболее широко используют именно потен­ циальную систему элементов, вследствие трудностей, встречающихся при построении импульсных систем. Так, в потенциальной системе элементов простым способом реализуют операции инверсии, конъюнк­ ции и дизъюнкции; в импульсных же схемах при повышении быстро­ действия усложняется задача фазирования сигналов, поскольку сме­ щение последних во времени может привести к ложному срабатыва­ нию. При потенциальном кодировании нет специальных преобразова­ ний формы сигналов (кодирование основано на установлении уровней)

ижестких требований к синхронизации, что в целом обусловливает высокую надежность потенциальной системы элементов.

Втрех поколениях ЭВМ применены следующие системы логических элементов, отличающиеся по физическому принципу функционирова­ ния:

а) на дискретных радиодеталях с вакуумными электронными лам­ пами в качестве усилительно-формирующих компонентов;

б) на дискретных радиодеталях с полупроводниковыми транзисто­ рами в качестве усилительно-формирующих компонентов; магнито­

полупроводниковые с транзисторами и магнитными сердечниками с прямоугольной петлей гистерезиса в качестве усилительно-форми­ рующих компонентов;

в) интегральные, в которых для усиления и преобразования сигна­ лов используют эффекты особенностей прохождения потоков заряжен­ ных частиц через различные участки твердого тела, а все компоненты элементов выполнены с помощью технологических методов инте­ гральной электроники.

В микроэлектронных логических элементах используют как бипо­ лярные, так и униполярные транзисторы. Дальнейшее развитие микро­

54

электронных схем, особенно больших интегральных схем (БИС), возможно приведет к большому развитию униполярных транзисторных схем и, в частности, схем с дополнительной симметрией, практически не рассеивающих мощность в статическом состоянии.

По типу основной логической схемы электронные элементы ЦВМ делят на:

а) диодно-резистивные; б) транзисторные элементы с непосредственными связями;

в) резистивностранзисторные; г) диодно-транзисторные с переключением напряжений и токов; д) транзисторно-транзисторные;

е) транзисторные с переключением токов.

При переходе к интегральным схемам (ИС) происходит переоценка используемых типов схем. Например, резистивно-транзисторные эле­ менты с емкостными связями для ускорения переходных процессов широко выполняли в дискретном варианте изготовления электронных элементов. В ИС стоимость компонентов в большей степени опреде­ ляется площадью, занимаемой ими на подложке. При рассмотрении топологии элемента видно, что активные приборы занимают лишь малую часть ее площади. Поэтому более разумно добиваться увеличе­ ния быстродействия в ИС за счет использования большего количества активных элементов. Выполнение же логических элементов в дискрет­ ном варианте накладывает жесткие ограничения на количество актив­ ных компонентов, поскольку их стоимость высока. Стоимость пассив­ ных компонентов низка и у них практически отсутствует связь между стоимостью и номиналом.

Развитие интегральной системотехники наложило некоторые осо­ бенности на системы интегральных элементов ЦВМ, поэтому инте­ гральные полупроводниковые элементы делят на:

а) логические; б) запоминающие;

в) вспомогательные, расширяющие логические возможности основ­ ных логических элементов;

г) специальные.

В системеинтегральных электронных элементов отсутствуют усилительно-формирующие элементы, поскольку в интегральном исполнении удобно их использование в каждом логическом элементе.. При разработке интегральных элементов осуществляется переход от элементов И, ИЛИ, НЕ к более сложным логическим элементам, вы­ полняющим функции: И — НЕ; ИЛИ — НЕ; И — ИЛИ — НЕ; ИЛИ — И — НЕ.

§ 2.2. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Проектирование электронных элементов на дискретных компонен­ тах имеет следующие особенности:

а) наличие устоявшихся типов надежных компонентов освобождае разработчика-схемотехника от необходимости учета технологических

55

и производственных особенностей компонентов, что обеспечивает широкие схемные возможности и простоту сборки узлов на стадии экспериментирования;

б) выбирая необходимые типы и номиналы компонентов, разработ­ чик главное внимание уделяет проектированию элементов, а не тех­ нологии изготовления, используемым материалам и возможным силь­ ным паразитным связям;

в) дискретные компоненты дают возможность выполнять макетиро­ вание при использовании идентичных или тех же самых компонентов и подобных конструкций, которые будут использованы в серийных ЦВМ, что позволяет хорошо отрабатывать и достаточно легко изменять схемы и конструкции в процессе проектирования, эксперимента и из­ готовления;

г) стоимость активных компонентов значительно выше стоимости пассивных компонентов, а их надежность ниже надежности последних.

При переходе к схемотехнике интегральных элементов-разработчик должен: минимизировать количество электронных элементов, необхо­ димых для реализации логической схемы ЦВМ в целом, при мини­ мальных затратах производства.

Разработчик обязан учитывать также особенности, которые вносит интегральная технология изготовления компонентов и элементов:

а) относительная стоимость компонентов изменяется; стоимость интегральных транзисторов, диодов и резисторов примерно одина­ кова;

б) номиналы интегральных компонентов имеют ограничения сверху: в интегральных элементах сложно получить сопротивления в десятки — сотни килоом и емкости в несколько сотен пикофарад; интегральная технология не обеспечивает возможностей получения трансформа­ торов; возможности изготовления индуктивностей очень ограничены;

в) номиналы компонентов интегральных схем сложно контроли­ ровать с большой точностью, хотя можно выдержать отношение между величинами компонентов; в пределах интегрального элемента все компоненты имеют одинаковую температурную зависимость;

г) паразитная связь и паразитные параметры компонентов, в виде паразитных емкостей и проводимостей, имеют значительно большую величину, чем в элементах на дискретных компонентах;

д) схемотехническая разработка элементов затруднена из-за слож­ ности макетирования, высокой стоимости технологии и оборудования для проведения технологических работ по макетированию;

е) сложность полностью совместимой технологии полупроводни­ ковых пассивных и активных компонентов, что в случае предъявления жестких требований к элементам ЦВМ, особенно к специальным, ведет к необходимости использования гибридных методов изготовления интегральных элементов.

Любую логическую систему, как это показано в гл. 1, теорети­ чески можно построить с помощью определенного ограниченного набора типов логических элементов. На практике же в состав логи­ ческих элементов включают ограниченный набор элементов, состоящий из одного или двух десятков различных типов логических элементов.

56

Унификация логических элементов, как правило, приводит к частич­ ному использованию возможностей последних и поэтому увеличивает общее число компонентов в ВС. Построение логических элементов для выполнения специфичных функций в машине снижает число используемых компонентов, но увеличивает количество типов эле­ ментов, стоимость -изготовления и сложность эксплуатации ЦВМ. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо рассматривать всю совокупность факторов, влияющую на выбор функционального состава системы элементов.

Анализ схемных решений при построении ЦВМ первого и второго поколений показывает, что в АУ около 50% элементов составляют схемы совпадения, 25% — схемы объединения, 15% — усилительные элементы и 5% — триггерные запоминающие элементы. При построе­ нии ЦВМ на интегральных логических элементах, в которых для получения достаточно большого коэффициента разветвления по вы­ ходу и использования преимуществ интегральной технологии инвер­ тор помещен в единый корпус с логическими элементами, логические элементы составляют 80 -г- 90%, а вспомогательные — 10 -к 20%. Количество специальных элементов в АУ составляет единицы про­ центов.

Выбор состава системы интегральных логических элементов имеет важное значение, поскольку он определяет количество корпусов эле­ ментов, необходимое для построения ЦВМ. Статистический анализ ЦВМ средней производительности показывает, что в них наиболее широко используются логические элементы с двумя, тремя и четырьмя входами (доля элементов с двумя входами составляет более 50%). В машинах высокой производительности количество многовходовых схем увеличивается и распределение элементов по количеству входов становится более равномерным.

Включение модификаций логических элементов в систему эле­ ментов позволяет учесть эти статистические закономерности:

а) включить в состав системы элементов те модификации элементов, которые в значительных количествах входят в разрабатываемые схемы. Практически целесообразно иметь модификации элементов на два, три, четыре входа, а также один многовходовой элемент (обычно на восемь входов), допускающий подключение вспомогательного эле­ мента — расширителя возможностей по входу. Включение последнего в систему элементов позволяет использовать малое количество кор­ пусов элементов в цепях, где необходимо объединение по входу боль­ шого количества сигналов;

б) максимально использовать возможности стандартного корпуса с определенным количеством выводов;

в) учитывать для каждого уровня технологии изготовления инте­ гральных схем оптимальный размер подложки и базовую технологию, обеспечивающие их минимальную стоимость. Базовая технология разрабатывается с учетом требований размещения на кристалле не­ скольких логических элементов. Например, в одном корпусе-могут быть размещены четыре двухвХодовые, три трехвходовые, две четырех­ входовые или одна восьмивходовая схема И.

57

Развитие интегральных qceM позволяет строить более сложные логические элементы. Статистический анализ показывает, что сочета­ ние схем И и ИЛИ встречается в 70—80% случаев различных сочета­ ний элементов в блоках арифметических устройств. В некоторых типах логических интегральных элементов дополнительные логические функ­ ции можно реализовать схемным путем за счет-объединения транзи­ сторов выходных каскадов по коллекторам. Если в одном корпусе размещено несколько элементов, то такое объединение целесообразно проводить внутри корпуса в процессе изготовления (например, для тран­ зисторно-транзисторных логических элементов, реализующих функцию И — ИЛИ — НЕ). Эффективным средством уменьшения числа корпу­ сов является использование логических элементов с широкими функ­ циональными возможностями. Например, в логических элементах на переключателях тока одновременно вырабатывается сама функция и ее отрицание. Кроме того, расширение логических возможностей этих схем достигается объединением выходов элементов.

§ 2.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

В интегральных логических элементах невозможно контролировать характеристики схем, измеряя параметры отдельных компонентов. Параметры интегральных схем могут быть охарактеризованы и изме­ рены как параметры четырехполюсника на основе входных, выходных и передаточных характеристик. Существующие методы определения параметров ИС основываются на выполнении функциональных и пара­ метрических измерений.

Интегральная схема работоспособна, если при выполнении задан­ ных технических требований по величинам сигналов имеет место пра­ вильная передача информационных сигналов.

Функциональными называют такие измерения, в результате кото­ рых можно определить функциональные возможности интегрального элемента (вид выполняемой переключательной функции).

Параметрические измерения позволяют определить индивидуаль­ ные значения параметров ИС, таких, как величины входных и выход­ ных токов, токов утечки и т. д. На основании параметрических дан­ ных делают вывод о пригодности использования данной схемы в системе элементов. В результате проведенных измерений оценивают логиче­ ские функциональные параметры интегральных шементов.

Для логической ИС с М логическими входами и N нагрузками существует 2м + N комбинаций внешних характеристик, характери­ зующих данную схему.

Зависимость между токами и напряжениями на входах и выходах

58

а. Входную и выходную характеристики определяют для пары выводов при наличии на всех других выводах напряжений, соответ­ ствующих логическим уровням «О» и «1».

б. Зная входную и выходную характеристики, можно определить коэффициент разветвления по выходу (нагрузочную способность) логического элемента:

где Ei — напряжение t'-ro источника пи­ тания; / г — величина тока, потребляемая элементом от t-ro источника питания.

Поскольку мощность, потребляемая электронным элементом, за­ висит от информационного состояния последнего, то средняя потреб­ ляемая мощность Р ср элемента

где р (0) — мощность, потребляемая элементом в «О» состоянии; ра) — мощность, потребляемая элементом в «1» состоянии при 50% скваж­ ности управляющих импульсов.

4. Среднее время задержки распространения сигналов t3- ср в после­ довательной цепочке элементов.

5 9