13

Глава 4 Элементы компьютерной схемотехники

Колесников Л.П.

Глава 4

ФПТ 2009

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Бабич Н.П., Жуков И.А. Компьютерная схемотехника. – Киев. МК-Пресс, 2004 -576 с.

А.П.Жмакин. Архитектура ЭВМ. – С-П. БХВ-Петербург, 2008 – 315 с.

А.В.Кузин, М.А.Жаворонков. Микропроцессорная техника. Учебник – М. Академия, 2006 -301 с.

А.Н.Морозевич и др. МикроЭВМ, микропроцессоры и основы программирования. Минск. Высшая школа, 1990 – 348 с.

Н.П.Сергеев, Н.П.Башкевич. Основы вычислительной техники. Учебное пособие для ВУЗов – М. Высшая школа, 1988 – 308 с.

4.1 Основные характеристики цифровых микросхем

4.1.1 Понятие элементов, узлов и устройств в схемотехнике

4.1.2 Характеристики логических элементов

4.1.1 Понятие элементов, узлов и устройств в схемотехнике

Технические средства компьютерной схемотехники в зависимости от выпол­няемых функций, делят на элементы, функциональные узлы и устройства, а также микропроцессоры и компьютеры (рис. 4.1). Они предназначены для обработки дис­кретной информации и потому называются цифровыми.

Технические средства компьютерной схемотехники в настоящее время основа­ны на интегральных микросхемах (ИМС) разной степени сложности.

Элементы

Узлы

Устройства

Компьютер

Рисунок 4.1-Состав технических средств компьютерной схемотехники

Элементами в компьютерной схемотехнике называются наименьшие неделимые микроэлектронные схемы (изделия), предназначенные для выполнения логиче­ских операций или хранения бита информации.

К элементам условно относятся и вспомогательные схемы — усилители, повторители, формирователи и др. Элемен­ты строятся на основе двухпозиционных ключей, что технически реализуется наи­более просто.

Элементы с двумя состояниями называются двоичными.

На входах и выходах двоичного элемента действуют напряжения, которые при­нимают в установившемся режиме два значения — высокого U_H и низкого U_L уров­ней (индексы от английских слов High и Low). Эти напряжения отображают электри­ческие сигналы. Сигнал с двумя состояниями называется двоичным. Переход элемента из одного состояния в другое называется его переключением. На основе элементов строят типовые функциональные узлы.

Элементарные действия, выполняемые в компьютерах за один машинный такт, называются микрооперациями. Например, инкремент или декремент слова, сдвиг, инверсия, сложение и др. В компьютерах команды выполняют последовательностью микроопераций над двоичными словами (числами).

Типовыми функциональными узлами компьютеров называются микроэлектронные схемы, предназначенные для выполнения одной или нескольких микроопераций.

По логике работы функциональ­ные узлы разделяют на комбинационные и последовательностные схемы.

В комбинационных схемах логическое состояние выходов элементов зависит только от комбинации входных сигналов в данный момент времени. К функциональ­ным узлам комбинационного типа относятся сумматоры, дешифраторы, шифрато­ры, мультиплексоры и демультиплексоры, схемы сравнения (компараторы) и кон­троля по четности, кодопреобразователи.

В последовательностных схемах логическое значение выходов определяют как комбинацией выходных сигналов, так и состоянием памяти схемы в данный мо­мент времени. К функциональным узлам последовательностного типа относятся ре­гистры, счетчики, генераторы чисел и управляющие автоматы.

На основе функциональных типовых узлов строят различные устройства компьютеров.

Универсальность компьютеров обеспечивает возможность приема и выдачи информации, ее хранения и арифметико-логической обработки, а также управления всем вычислительным процессом.

Эти функции реализуют соответствующими уст­ройствами ввода, вывода, запоминающими, арифметико-логическими и управления.

Во всех компьютерах используют генератор тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает периодическую последовательность прямоугольных импульсов, на­зываемых тактовыми (С). Начало каждого импульса С называется тактовым мо­ментом.

Временной интервал между двумя соседними импульсами С называется машинным тактом Т_с. Вначале каждого импульса С происходит смена информа­ции на входах элементов и узлов машины (рис. 4.2).

Рисунок 4.2-Временная диаграмма ГТИ

Частота ГТИ измеряется десятками, сотнями мегагерц и гигагерцами. В лите­ратуре ГТИ часто называют генераторами синхронизирующих импульсов, а сами импульсы называют синхронизирующими или синхроимпульсами. Амплитуда и полярность импульса С зависит от физических принципов построения машины.

Принцип подачи информации на входы элементов и узлов в тактовые моменты называется дискретизацией сигналов во времени.

В компьютерной схемотехнике используются два основные вида двоичных сиг­налов: потенциальные и импульсные (рис. 4.3).

Рисунок 4.3-Диаграммы потенциальных (ПС) и импульсных (ИС) сигналов

Сигнал, который изменяется только в тактовые моменты времени, называется потенциальным.

Сигнал, который нарастает в тактовый момент, а спадает в пре­делах данного такта, называется импульсным.

Длительность потенциального сиг­нала равна или кратна длительности машинного такта.

В логике значения двоичного сигнала и соответствующей переменной X коди­руются символами 0 (лог. 0) и 1 (лог. 1).

Напряжение, отображающее символ 1, обо­значим через U¹, а символ 0 — через U⁰.

Различают два способа кодирования логи­ческих сигналов X_i потенциальными сигналами — положительный и отрицательный.

При положительном кодировании (положительная логика или соглашение) больший уровень напряжения U_H с учетом знака отображает лог. 1, а меньший U_L — лог. 0, то есть X = 1, если U¹ = U_H, и X = 0 при U⁰ = U_L (рис. 4.4, а).

При отрицательном кодировании (отрицательная логика или соглашение) больший уровень напряжения U_H с учетом знака отображает лог. 0, а меньший U_L — лог. 1, то есть Х= 1, если U¹= U_L, и X = 0 при U⁰ = U„ (рис. 4.4, б).

Рисунок 4.4-Логические соглашения:

а) –положительная логика, б)-отрицательная логика

Для импульсных сигналов различают два рода кодирования (рис. 4.5):

пер­вый — наличие импульса отображает лог. 1, отсутствие — лог. 0;

второй — наличие импульса одной полярности отображает лог. 1, а другой полярности — лог. 0.

Рисунок 4.5-Импульсное кодирование: а)-первого рода, б)-второго рода

Элементы компьютеров классифицируют по следующим признакам:

• используемым физическим приборам;

• виду информационных сигналов;

• функциональному назначению;

• конструктивно-технологическому изготовлению;

• уровню и степени сложности.

По типу физических приборов различают следующие элементы: построенные на электронных лампах — первое поколение; на транзисторах — второе поколение; на ИМС малой и средней степени интеграции — третье поколение; на больших и сверхбольших ИМС — четвертое поколение.

По виду информационных сигналов выделяют:

• потенциальные элементы — используются только потенциальные сигналы;

• импульсные элементы — используются только импульсные сигналы;

• потенциально-импульсные элементы — используются потенциальные и им­пульсные сигналы.

По функциональному назначению элементы компьютерной схемотехники де­лятся на следующие классы:

• логические элементы, предназначенные для выполнения логических опера­ций — НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ, НЕ-И-ИЛИ и др.;

• запоминающие элементы — триггеры, предназначенные для хранения зна­чения одной двоичной переменной — нуля или единицы, то есть одного би­та информации;

• вспомогательные элементы (усилители, формирователи, преобразователи сигналов, схемы временного согласования, генераторы импульсов и др.), предназначенные для обеспечения работы элементов первых двух классов.

По конструктивно-технологическому изготовлению элементную базу современ­ной компьютерной схемотехники составляют интегральные микросхемы. Это — микроэлектронные изделия с высокой плотностью упаковки электрорадиоэлементов (резисторов, диодов, транзисторов) и соединений между ними. С точки зрения спе­цификации, испытаний, поставки и эксплуатации ИМС рассматриваются как единое целое.

В ИМС электрорадиоэлементы называются элементами, если они неотделимы от схемы, и компонентами, если их можно использовать самостоятельно. Далее, во избежание путаницы с элементами компьютеров, электрорадиоэлементы называют просто компонентами.

Микросхемы классифицируют по следующим основным признакам:

• технологии изготовления — полупроводниковые, гибридные, пленочные;

• конструктивному оформлению — корпусные и бескорпусные;

• форме обработки информации — аналоговые, цифровые и аналого-цифровые;

• степени интеграции (сложности) — малые, средние, большие, сверхболь­шие и ультрабольшие;

• типу активных элементов — построенные на биполярных и МОП-транзисторах;

• области применения — широкого применения, специализированные, в том числе заказные и полузаказные;

• используемым материалам — кремниевые, арсенид-галлиевые;

• перспективным направлениям — криомикроэлектронные, акустоэлектрон-ные, оптоэлектронные, молекулярной электроники и др.

Набор цифровых микросхем с общими конструктивно-технологическими и схе­мотехническими признаками образует серию ИМС. В компьютерной схемотехнике широко применяются цифровые полупроводниковые корпусные ИМС на основе кремния и арсенида галлия. В полупроводниковых ИМС все компоненты и соедине­ния между ними выполнены в объеме и на поверхности кристалла площадью от 4 до 100 мм². В гибридных ИМС навесные компоненты крепятся на поверхности диэлек­трической подложки. В пленочных ИМС все компоненты и соединения между ними выполнены в виде тонких пленок на диэлектрической подложке.

Сложность микросхем характеризуется:

-уровнем интеграции N, где: N -число ком­понентов (комп).

-степенью инте­грации К = lg/V

-степенью функциональной сложности F = IgL,

где: L -число двухвходовых логических элементов (вентилей);

(значе­ние десятичного логарифма округляется до большего целого числа).

Промышлен­ность изготовляет ИМС от первой (менее 10 комп.) до шестой (менее 1 млн комп.) и выше степени интеграции.

Возможности интегральной технологии определяет плотность упаковки: соот­ношение числа компонентов к объему (иногда к площади) кристалла.

Плотность упа­ковки в полупроводниковых ИМС составляет 10⁷ комп. /см³, а для гибридных— 100-200 комп. /см³.

Малая интегральная схема (МИС) содержит до 100 комп. включительно, сред­няя микросхема (СИС) — 100-1000 комп., большая интегральная схема (БИС) — до 100000 комп., сверхбольшая интегральная микросхема (СБИС) — до 1 млн. комп., а ультрабольшая (ультра-БИС) — до 10 млн. комп. и больше.

На МИС строят элемен­ты, на СИС реализуют типовые узлы, на БИС, СБИС и ультра-БИС обеспечивается построение микропроцессоров и микрокомпьютеров.

Каждая элементарная логическая функция реализуется соответствующим ло­гическим элементом: ИЛИ (дизъюнктор), И (конъюнктор), НЕ (инвертор).

Для реали­зации сложных функций логические элементы объединяются в логическую схему.

Функционально полная система логических элементов позволяет построить любую сложную логическую схему.

Такие системы образуются следующими наборами ло­гических элементов:

1) ИЛИ, НЕ;

2) И, НЕ;

3) НЕ-ИЛИ;

4) НЕ-И и другими.

В техниче­ски полной системе элементов обеспечивается значение электрических параметров двоичных сигналов, для этого используются вспомогательные элементы — усили­тели, повторители, формирователи и др.

С учетом вышеизложенного можно сказать, что система элементов представ­ляет собой функционально и технически полный набор элементов, который исполь­зует одинаковые способы представления информации, а также имеет общие конст­руктивно-технологические характеристики.