Системы элементов компьютерных систем

Элементом ЭВМ называют наименьшую структурную единицу аппаратных средств ЭВМ, которая осуществляет логическое преобразование или хранение цифровых сигналов.

Элементы выпускаются промышленностью в виде интегральных микросхем.

В зависимости от технологии изготовления ИС подразделяются на серии (семейства), которые различаются физическими параметрами базовых элементов, а также числом и функциональным назначением входящих в их состав микросхем. Серии МС имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

В настоящее время разработано несколько десятков технологий изготовления ИС. Наибольшее распространение получили технологии:

- транзисторно-транзисторной логики – ТТЛ;

- эмиттерно-связанной логики – ЭСЛ;

- интегрально-инжекционной логики – ИИЛ (И²Л);

- МОП-транзисторной логики (КМОП).

Каждая технология непрерывно совершенствуется с целью увеличения быстродействия ИС, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции – числа элементов, размещаемых на кристалле заданной площади.

Серии МС нумеруют тремя-четырьмя цифрами, перед которыми могут стоять буквы, отражающие конструктивное исполнение (К155, КР185). Для обозначения МС к номеру серии справа приписывают две буквы, указывающие функциональное назначение, и номер МС в группе МС одинакового функционального назначения. Например, 555ЛА9 означает:

• серия 555;

• реализует функцию И-НЕ(ЛА);

• является девятой микросхемой типа И-НЕ в данной серии.

Основные характеристики и электрические параметры элементов и схем эвм

Большинство типов современных цифровых эл-тов и микросхем относятся к классу потенциальных. Для их характеристики используется система параметров:

U⁰ – напряжение логического “0”

U¹ – напряжение логической “1”

V_п – порог переключения

K_об – коэффициент обьединения по входу определяется числом выходов которых имеет схема.

K_раз – коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) определяется максимальным числом входов др.схем, которые можно подключить к входу схемы не нарушая ее правильного функционирования.

I_вх⁰ – входной ток при U_вх = U⁰

I_вх¹ – входной ток при U_вх = U¹

– помехоустойчивость по отношению к помехам положительной полярности;

– помехоустойчивость по отношению к помехам отрицательной полярности.

P(I_п) – мощность (или ток), потребляемые от источника питания.

– время задержки переключения сигнала на выходе из состояния “0” в “1”

– время задержки переключения сигнала на выходе из состояния “1”в “0”

– длительность фронта выходного сигнала при переходе из “0” в “1”

– длительность фронта выходного сигнала при переходе из “1”в “0”.

Параметры цифровых схем определяются их статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой схем является передаточная хатактеристика: U_вых = f(U_вх) – цифровая.

По типу передаточной хар-ки схемы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия входных логических сигналов (элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) и неинтвертирующие на выходе которых образуется неинверсный логический сигнал (элементы И, ИЛИ и др.)

Типичная передаточная характеристика…

… инвертирующего лог. эл-та … неинвертирующего лог. эл-та

Так как цифровая схема должна обеспечить четкое разделение уровней логических “0” и “1”, то передаточная хар-ка имеет 3 явно выраженных участка: I – соответствует состоянию U_вых = U⁰ ; II – состоянию U_вых = U¹; III– промежуточное, неопределенное состояние. Границами этих участков явл-ся значения U_вх соответствующие порогам переключения и . Область между порогами называется зоной неопределенности.

Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбоя в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определ.

U⁺_п = V_п⁰ U⁰

U^-_п = V_п¹ U¹

U⁺_п + U^-_п = (U¹ U⁰) – (V_п¹- V_п⁰ ) = U_л – ΔV_п ,где U_л = U¹ U⁰ – логический перепад

ΔV_п = ширина зоны неопределенности.

Т.о. для повышения помехоустойчивости надо увеличивать U_л и уменьшать ΔV_п . Поэтому в цифровых схемах обеспечивают ΔV_п << U_л , и приближенно считают , где средний порог переключения.

Максимальная величина логического перепада ограничивается напряжением питания U_л ≤ E (ЭДС ист.питания).

Т.о. сумма помехоустойчивостей и не превышает напряжения питания.

Мощность потребления схемой от источника питания зависит от ее логического состояния. Схема потребляет ток при U_вых = U⁰ и ток при U_вых = U¹. Средняя мощность, потребляемая в статическом режиме: P = 0,5E ( .

В процессе переключения ряда типов цифровых схем ток в цепи источника питания увеличивается. В результате схемы потребляют дополнительную динамическую мощность Р_д , величина которой пропорциональна частоте переключения схемы.

Т.о. средняя мощеость, потребления схемой в режиме переключения:

Р_п = Р + Р_д оказывается больше , чем мощность Р в статическом режиме.

Время задержки распространения сигнала – это параметр который определяет быстродействие схем. Задержки и определяются как промежутки времени между моментами достижения входным и выходным потенциалами порога переключения (т.е. O.SU_вых )

Длительности фронтов и , определяющие время выходного сигнала определяют по условиям 0,1 и 0,9 U_вых .

Средняя задержка определяет среднее время выполнения логических операций.

Работа (энергия) переключения схемы:

Многие параметры схем существенно зависят от величины напряжения питания Е. Снижение Е уменьшает потребляемую мощность Р, но при этом обычно ухудшаются помехоустойчивость, нагрузочная способность, а иногда и быстродействие схем. Поэтому величина Е выбирается с учетом схемы.

Практически все параметры цифровых съем в большей или меньшей степени зависят от температуры. Поэтому для схем всегда указывается рабочий диапазон температур в пределах которого параметры схемы имеют заданные значения.