книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

Разработка элементов, размеры которых всего в де­ сятки и сотни раз больше размеров молекул, привела к появлению новой области технологии изготовления эле­ ментов для электронных цифровых машин — молектроники. Элементы такого типа обладают быстродейст­ вием, приближающимся к предельному. Молекулярная электроника основана на построении электронных схем из твердого тела путем внесения в него различных при­ месей. В каждом кубическом сантиметре такого веще­ ства можно разместить до 1500 деталей.

Помимо указанных трех направлений многие инсти­ туты и лаборатории занимаются усовершенствованием существующих элементов и разработкой новых, исполь­ зующих существенно новые физические и химические

принципы работы.

Усовершенствование полупроводниковых приборов привело к разработке новых высокочастотных транзисто­ ров (дрейфовых, диффузионных, канальных и др.), спо­ собных работать в схемах ЭЦМ с очень большой часто­ той. Полупроводниковый туннельный диод, обладающий характеристикой с отрицательным сопротивлением, вы­ соким быстродействием и надежностью работы в- широ­ ком диапазоне температур, позволяет использовать его в качестве различных логических элементов машины.

Из ферромагнитных материалов все большее распро­ странение получают Т'р а н с ф л ю к с о р ы — феррито­ вые сердечники с двумя или несколькими отверстиями,

Для создания ферромагнитного запоминающего уст­ ройства большой емкости, обладающего преимущества­ ми ферритовых сердечников и в то же время лишенного их серьезных технологических и конструктивных недо­ статков, используют литые ферритовые пластины с об­ мотками, нанесенными методом печатного монтажа.

Другие ферромагнитные материалы (твиеторы, биакоы и др.) позволяют построить элементы ЭЦМ малых размеров с высоким быстродействием, надежные и де­ шевые.

В последние годы внимание конструкторов привле­ кает возможность замены в запоминающем устройстве машины элементов, применяющихся в настоящее время, с е г н е т о э л е к т р и ч е с к и м и . Такая замена, в прин­

72

ципе, может привести к уменьшению объема запомина­ ющего устройства в 1 0 — 1 0 0 раз при сохранении одина­ ковой емкости и снизить потребляемую мощность почти в 50 раз по сравнению с устройством из ферритовых сердечников.

Особенно интересные работы ведутся по разработке так называемых к р и о г е н н ы х элементов, основанных на явлении сверхпроводимости металлов при температу­ рах, близких к абсолютному нулю: криотронов, персисторов, криозаров и др. Криогенные элементы могут най­ ти широкое применение особенно в электронных управ­ ляющих машинах.

В Японии и некоторых других странах в настоящее время все чаще применяются элементы ЭЦМ, построен­ ные с использованием я а р а м е т р о н о в — колебатель­ ных контуров, в которых одна из характеристик (индук­ тивность или емкость) изменяется t частотой, обычно в 2 раза большей, чем частота колебаний в самом конту­ ре. Теория параметрического колебания разработана советскими учеными академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Параметроны могут быть использо­ ваны в качестве двоичного запоминающего элемента или как усилители. Они очень надежны, помехоустойчивы и миниатюрны, срок их службы практически неограничен.

Различные элементы, которые можно использовать в цифровых машинах, предназначаемых для работы в ус­ ловиях чрезвычайно высоких температур, разрабаты­ ваются химотроникой — наукой об электрохимических преобразованиях. Такие элементы обладают малым быстродействием, но могут работать при температурах

типов электронных элементов, которые выполняют опре­ деленные логические функции, выражающие зависимость сигналов на выходах от сигналов на входах этих эле­ ментов.

Построение и анализ логических элементов и схем

73

основываются «а применении1 формального метода мате­ матики к области логики. Подобно тому как в матема­ тике для выражения отношений используется язык фор­ мул, в математической логике тот же язык формул ис­ пользуется для выражения логических связей, которые существуют между суждениями, понятиями, высказыва­ ниями п т. д. Применение языка формул ;в логике .позво­ лило получить точную научную трактовку предмета, сво­ бодную от неясностей, которые нередко возникают при словесном выражении.

Под высказыванием понимают каждое предложение, в отношении которого можно утверждать, что его содер­ жание истинно или ложно. Высказывания могут опреде­ ленным образом соединяться в новые высказывания пу­ тем применения логических связей, обозначаемых терми­ нами «и», «или», «не», «если..., то...» и т. д.

В электронных цифровых машинах используются три основных логических элемента связи: «не», «или», «и», реализующие соответственно операции отрицания, логи­ ческого сложения и логического умножения. С помощью этих простейших элементов связи можно образовывать более сложные связи и получать схемы, выполняющие достаточно сложные логические функции.

Любое простое высказывание, такое, например, как «сигнал на входе схемы имеется» или «сигнала на входе схемы нет», будем обозначать буквами р, q, г, s ,t и т. д., а любое сложное высказывание, полученное в результа­ те применения определенных логических связей между

ным, то по самой своей сущности высказывания являют­ ся двоичными функциями: ложному высказыванию, на­

ным схемам цифре «О» может соответствовать отсутст­ вие электрического импульса, сигнал низкого уровня или отрицательного напряжения, а цифре «1 » — наличие импульса, сигнал высокого уровня или положительного напряжения. Поэтому для электронных цифровых машин характерно использование логических элементов в край­ них значениях входных и-выходных сигналов, а все про-

74

Межуточные . состояния элемента, 'если они возможны, оказываютея• -нерабочими.

Рассмотрим несколько подробнее основные логиче­ ские элементы ЭЦМ: инвертор, собирательную схему и схему совпадения.

ми 'словами, логическое отрицание данного высказыва­ ния есть такое высказывание, которое истинно, если дан­ ное высказывание ложно, и ложно, если оно' истинно.

Применительно к электронным схемам элемент («не») означает, что сигнал А на выходе схемы появ­ ляется тогда, когда нет сигнала р на входе, и наоборот, сигнала А на выходе нет, когда есть сигнал р на: входе. Формулы, с помощью которых определяется связь меж­ ду высказываниями, называются л о г и ч е с к и м и ф о р ­ му л а м и.

Связи между высказываниями могут быть выраже­ ны и с помощью таблиц, которые называют л о г« не- c. к и ми т а б л н ц а м и. Для инвертора (И) — элемента логического отрицания—такая таблица дана на рис. 13,а,

тора на функциональных схемах.

Логическая операция отрицания реализуется схемой инвертора, показанной «а рис. 13,б. Эта схема выполне­

R c подбираются с .таким расчетом, чтобы при подаче сигнала .на вход лампа -проводила ток, а при отсутствии сигнала была заперта, т. е. тока не проводила.

При подаче на вход в ы с о к о г о уровня напряжения, соответствующего наличию сигнала, лампа открыта. Че­ рез нее и анодное сопротивление протекает ток, который,

75

создавая падение напряжения на сопротивлении R a , дает на выходе А (аноде лампы) напряжение низкого уровня, соответствующее отсутствию сигнала.

При подаче на вход схемы н и з к о г о уровня напря­ жения лампа заперта, ток через нее не протекает и «а аноде лампы (выходе А) снимается высокий уровень на-

г)

Рис. 13. Инвертор — элемент логического отрицания («не»):

пряжения, соответствующий напряжению анодного питания +£),. Иными словами, если сигнал р на входе схемы инвертора соответствует «О» (сигнал низкого уров­ ня или отрицательный), лампа заперта большим отрица­ тельным смещением и с ее анода снимается напряжение высокого уровня, соответствующее наличию на выходе А сигнала «1». Если на входе имеется сигнал р, соответ­ ствующий «1 », то лампа открыта и на ее аноде будет напряжение низкого уровня, соответствующее «О».

На рис. 13,г приведена схема инвертора, построенная на полупроводниковом триоде ПТ. При отсутствии на­

76

пряжения на входе р (что соответствует сигналу «О») полупроводниковый триод ПТ заперт напряжением сме­ щения + Е с> создаваемым сопротивлениями и /?3. На базе триода (в точке «б») при этом получается по­ тенциал относительно заземленного эмиттера, надежно запирающий триод. Если на вход схемы подать отрица­ тельное напряжение, то потенциал точки «б» базы ста­ нет также отрицательным и триод откроется. Потенциал на выходе А инвертора за счет падения напряжения на сопротивлении изменится от — В к до 0 в. Таким обра­ зом, эта схема работает аналогично предыдущей.

Два инвертора, включенных последовательно, пред­ ставляют собой схему инвертора-усилителя. Инверторусилитель имеет один вход и два выхода, из которых один инверторный, а другой усилительный. Если сигнал на входе инвертора-усилителя соответствует «О», то на инверторном выходе схемы имеется сигнал «1 », а на уси­ лительном «О». И наоборот, если сигнал на входе—«1», то на инверторном —«О», а на усилительном —«1». Ин­ вертор-усилитель применяется для одновременного ин­ вертирования и усиления входного сигнала по мощности.

Собирательная схема — элемент логического сложе­ ния («или»). Логическому сложению отвечает такая связь между несколькими простыми высказываниями, в результате которой полученное сложное высказывание истинно только тогда, когда истинно х о т я бы о д н о из простых высказываний.

Логическое сложение реализуется электронной схе­ мой, называемой собирательной (Сб), на выходе которой оигнал появляется только тогда, когда имеется

Операция логического сложения выражается для вы­ соких уровней напряжения или положительных сигналов логическим уравнением' А =/? + q + г, а для низких уровней нап£яжения_ или отрицательных сигналов —

уравнением А = р + q + г.

Существует большое количество различных вариан­ тов выполнения собирательных схем. В качестве приме­

77

ра рассмотрим простейшую, собранную на полупровод­ никовых диодах 'и получившую наибольшее распростра­ нение. Такая собирательная схема на три входа пред­ ставлена на рис. 1,4,6.

Если на все три входа собирательной схемы поданы напряжения низкого уровня, то на выходе А будет низ-

кий уровень, определяемый соотношением ограничиваю­ щего сопротивления R ocp и сопротивления нагрузки /?„.

г) или на несколько входов одновременно будут поданы сигналы высокого уровня. При этом диоды пропускают ток, который на сопротивлении R H создает падение на­ пряжения, повышающее потенциал выхода А.

Изображение собирательных схем на функциональных

ножения («и»). Логическому умножению отвечает такая связь между несколькими простыми высказываниями, в результате которой полученное сложное высказывание истинно только тогда, когда одновременно истинньгв се простые высказывания.

Логическое умножение реализуется электронной схе­ мой, называемой схемой совпадения (Сп),'Тпг выходе которой появляется сигнал А только тогда, когда имеют­ ся сигналы на всех входах одновременно.

Логическая таблица для элемента «и» на три вхо­ да приведена на рис. 15. Операция логического умноже­ ния выражается для высоких уровней напряжения или

78

ко применяются схемы совпадения на два входа (их ча­ сто еще называют в е н т и л я м и, или к л а п а н а м и), выполненные на электронных лампах (рис. 16).

В отличие от схем совпадения, построенных на полу­ проводниковых диодах, электронно-ламповая схема по­ зволяет получать хорошие выходные импульсы. Поэтому эта схема может быть использована в качестве формирователя импульсов и усилителя

мощности.

Импульсы на выходе А схемы совпадения появляют­ ся только в случае одновременного воздействия на вход 1 — р и на вход 2 — q положительных управляющих сигналов. Импульсы, поступающие на вход р , откры­ вают лампу по управляющей сетке лампы, а поступаю­

79

Ниже мы приведем примеры построения ряда про­ стейших логических схем, предназначенных для выпол­ нения в машине некоторых элементарных операций пре­ образования информации. Все эти схемы являются ком­ бинационными, т. е. значение выходных сигналов зависит от комбинации напряжений сигналов, одновременно по­

даваемых на входы схемы.

Д в о й н ы м к л а п а н о м (ДК) называется логиче­ ская схема, предназначенная для передачи па выход од­ ного из двух чисел, поступивших на входы, в зависимо­ сти от наличия пли отсутствия управляющего сигнала. Двойной клапан состоит из цепочки одноразрядных двой­ ных 'клапанов. Количество клапанов в цепочке соответ­ ствует количеству двоичных разрядов, представляющих

число в машине.

Одноразрядный двойной клапан имеет три входа: два числовых р и q и один управляющий S, а также один числовой выход А.

Логика работы одноразрядного двойного клапана отвечает логической формуле A = p S -\ -q S , т. е. если на

Функциональная схема одноразрядного двойного кла­ пана содержит один инвертор, в котором получается ин­

вертированный сигнал 5, две схемы совпадения, одну —

П р е о б р а з о в а т е л е м (Пр) называется логиче­ ская схема, предназначенная для преобразования в арифметических устройствах машины отрицательных чи­ сел в обратный или дополнительный код. Двоичный пре­ образователь числа состоит из цепочки одноразрядных преобразователей, в каждом из которых получается до­ полнение цифры данного разряда числа до 1. Схема од­ норазрядного преобразователя имеет два входа — чис­ ловой р и управляющий S и один числовой выход А.

Логика его работы заключается- в следующем: сигнал на выход схемы проходит с числового входа инвертиро­ ванным или неинвертированным в зависимости от того, высокого или низкого уровня сигнал подан на управ­ ляющий вход. В качестве управляющего сигнала исполь-

80

По логической формуле можно легко построить функ­ циональную схему. Эта схема должна содержать два_ин-

вертора для получения инвертированных сигналов р и S, две схемы совпадения, реализующие логические умно­ жения p S и p S, и одну собирательную схему, реализую­ щую логическое сложение p S + pS.

На рис. 17,а представлена принципиальная схема од­ норазрядного преобразователя, а на рис. 17,6 соответ­ ствующая ей функциональная схема. Эта схема несколько отличается от ранее рассмотренной. Отличие состоит в

схеме имеется дополнительный инвертор И2, выполнен­

разряду числа, подлежащего преобразованию, поступает в виде высокого или низкого уровня напряжения на чис-