Лекція 1. Ступені розвитку схемотехніки ЕОМ
РОЗДІЛ 1. ЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПОБУДОВИ СХЕМ
СХЕМОТЕХНІКА ЕОМ
Конспект лекцій
для студентів напряму підготовки 6.051501 “Видавничо-поліграфічна справа“
професійних спрямувань “Комп’ютерні технології та системи
видавничо-поліграфічних виробництв”, “Технології електронних мультимедійних видань”, “Матеріали видавничо-поліграфічних виробництв”
денної форми навчання
Рекомендовано Методичною радою НТУУ «КПІ»
Київ
НТУУ «КПІ»
Схемотехніка ЕОМ: Конспект лекцій для студентів напряму підготовки 6.051501 "Видавничо-поліграфічна справа" / Уклад.: В.В. Чуркін. – К.: НТУУ «КПІ», 2012. – 49 с.
Гриф надано Методичною радою НТУУ «КПІ»
(протокол № 9 від 24 травня 2012 р.)
Навчальне видання
СХЕМОТЕХНІКА ЕОМ
Конспект лекцій
для студентів напряму підготовки 6.051501 “Видавничо-поліграфічна справа“
професійних спрямувань “Комп’ютерні технології та системи
видавничо-поліграфічних виробництв”, “Технології електронних мультимедійних видань”, “Матеріали видавничо-поліграфічних виробництв”
денної форми навчання
Укладач: Чуркін Володимир Вікторович, ст. викл.
Рецензент Зоренко О.В., к.т.н., доц.
Відповідальний
редактор Величко О.М., д.т.н., проф.
За редакцією укладача
ПЕРЕДМОВА
Конспект лекцій з кредитного модуля “Схемотехніка ЕОМ” дисципліни “Схемотехніка” розроблений для напряму 6.051501 “Видавничо-поліграфічна справа” спеціальностей: “Комп’ютеризовані технології та системи видавничо-поліграфічних виробництв”, “Технології електронних мультимедійних видань”, “Матеріали видавничо-поліграфічних виробництв”.
Метою кредитного модуля “Схемотехніка ЕОМ” є вивчення основ побудови та сучасних технічних рішень в області схемотехніки елементів та вузлів ЕОМ, навчання студентів вирішенню таких типових задач його майбутньої діяльності, а саме:
– проектування комбінаційних схем та схем з пам’яттю;
– вибір оптимальних варіантів побудови схем комп’ютерних систем згідно з методикою їх проектування;
– розробка технічних вимог, технічних завдань на науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи зі створення схем комп’ютерних систем;
Завдання вивчення кредитного модуля полягає в набутті студентами таких знань:
– математичні, логічні і фізичні основи побудови елементів і функціональних вузлів ЕОМ;
– властивості та параметри сучасних систем елементів ЕОМ;
– основи побудови і схемотехніки ЕОМ;
– схемотехнічна реалізація побудови елементів та функціональних вузлів ЕОМ.
Електронні обчислювальні машини складаються з великого числа елементарних схем - елементів, які перетворюють електричні сигнали або зберігають числову або логічну інформацію [1]. Якщо електричне перетворення сигналів елементами призводить до зміни їх логічного змісту, то такі елементи називають логічними.
Основні перетворення сигналів, що призводять до отримання кінцевого результату обчислень, виконують логічні елементи. Для здійснення будь-яких логічних перетворень необхідно мати набір логічних елементів, що володіють функціональною повнотою. Система елементарних логічних функцій називається повною, якщо будь-яку функцію алгебри логіки можна подати у виді суперпозиції функцій. Суперпозицією функцій називають підстановку одних функцій замість аргументів в інші функції.
Набір логічних елементів буде функціональний повним, якщо логічні функції, які реалізуються цими елементами, утворюють повну систему. В машинах першого і другого поколінь такий набір містив елементи, які виконували функції кон'юнкції, диз'юнкції і заперечення. Сучасні машини частіше за все будують на основі одноелементних логічно повних наборів, які реалізують функції Шеффера або Пірса [2].
Використовування елементів (підсилювачів, перетворювачів, генераторів сигналів), що проводять фізичні перетворення, визначається тим, що при побудові будь-якої частини ЕОМ необхідно, щоб сигнал з виходу одного елемента можна було використовувати, як вхідний сигнал іншого елемента.
Набір елементів вважається технічно повним, якщо він забезпечує всі електричні і часові особливості взаємозв'язаної роботи логічних елементів.
Система елементів ЕОМ - функціонально і технічно повний набір елементів (включаючи елементи пам'яті), що використовує однакові способи представлення інформації і міжелементних зв'язків.
Все сказане повною мірою відносилося до елементної бази машин першого і другого поколінь, коли кожний елемент або декілька однотипних елементів був виконаний у вигляді єдиної закінченої конструкції. Те ж саме відноситься і до перших ЕОМ третього покоління, коли в одному корпусі мікросхеми містився один або декілька однотипних елементів, причому в останньому випадку елементи мали самостійні входи і виходи і об'єднувалися тільки загальними шинами електроживлення.
Згідно узагальненій класифікації систем елементів ЕОМ за функціональним призначенням елементи ділять на логічні, запам'ятовуючі і допоміжні.
Логічні елементи, у свою чергу, поділяють на комбінаційні і накопичуючі. Комбінаційні елементи відносяться до класу примітивних логічних схем. В таких схемах вихідний сигнал в деякий момент часу є тільки функцією вхідних сигналів, присутніх на входах в той же момент часу. В накопичуючих схемах вихідний сигнал у момент часу t залежить не тільки від вхідних сигналів, але і від внутрішнього стану елемента, що передував дії вхідних сигналів у момент часу t-1.
Запам'ятовуючі елементи ділять на дві групи. Першу групу складають елементи, в яких двом значенням двійкової змінної відповідають два різні електричні стани елемента. Час запису інформації визначається часом перемикання електричного стану елемента, наприклад деякого тригера. Другу групу складають елементи, в яких запис і зчитування інформації пов'язані із зміною їх магнітного або якого-небудь іншого фізичного стану. Перш за все, це феритові сердечники, які мають два стійкі стани залишкової намагніченості. Час запису і зчитування інформації для елементів цієї групи, як правило, більше, ніж для елементів першої групи, в той же час вони володіють здатністю зберігати записану інформацію при відключенні електроживлення. Першу групу елементів пам'яті називають активними, другу - пасивними.
Допоміжні елементи, призначені для забезпечення електричного і часового узгодження роботи елементів перших двох груп, у свою чергу, ділять на підсилювачі, перетворювачі сигналів від однієї серії мікросхем до іншої, генератори сигналів, що забезпечують синхронну роботу всіх елементів в ЕОМ, елементи часової затримки сигналів тощо.
За типом сигналів розрізняють елементи, які визначаються трьома способами електричного кодування двійкової інформації: потенційним, імпульсним і імпульсно-потенційним.
При потенційному способі змінним ‘0’ і ‘1’ відповідають високий і низький рівні напруги (або струму), при цьому сигнал зберігає незмінним своє значення на якийсь час, не менше одного періоду проходження сигналів синхронізації від спеціального генератора, який працює незалежно від інших пристроїв ЕОМ. Кількість наступних підряд однакових значень двійкової змінної визначається числом сигналів синхронізації.
При імпульсному способі одному значенню двійкової змінної відповідає сигнал однієї полярності, а іншому - сигнал протилежної полярності, або, що частіше вживається, одиниці двійкової змінної відповідає імпульс, синфазний з сигналом синхронізації, а нулю - його відсутність. Значення сигналу в паузі між сигналами синхронізації не розглядається.
При імпульсно-потенційному способі кодування двійкові сигнали в одних елементах (частіше всього в запам'ятовуючих) кодуються потенціалами, а в інших (наприклад, логічних) - імпульсами.
За фізичними приладами, що використовуються, елементи підрозділяють на лампові (в машинах першого покоління), напівпровідникові (машини другого і наступних поколінь), магнітні і магнітно-напівпровідникові (в машинах першого, другого і третього поколінь і в спеціалізованих машинах). В даний час в обчислювальній техніці застосовуються оптоелектронні, оптичні і інші системи елементів і способів передачі і обробки інформації, які мають надвисоку швидкодію і малу потужність споживання.
За конструктивним оформленням і технології виготовлення елементи можна розділити на дві групи. Першу групу складають елементи, виконані методом дискретної технології, тобто зібрані з деталей, виготовлених незалежно одна від одної. Це напівпровідникові елементи з навісним монтажем. На таких елементах була створена більшість машин другого покоління, але вони практично не застосовуються в сучасних ЕОМ. Другу групу складають інтегральні елементи або інтегральні мікросхеми (ІС), тобто елементи, виконані на основі інтегральної технології. У свою чергу, вони діляться на плівкові, монолітні і гібридні. В плівкових ІС вся схема і міжелементні з'єднання реалізуються у вигляді тонких або товстих плівок. В монолітних ІС вся електрична схема виконана в об'ємі і(або) на поверхні напівпровідникового кристала. В гібридних ІС, як правило, використовують безкорпусні транзистори і діоди, які закріплюються на ізоляційній підкладці, на яку наносяться у вигляді плівок пасивні компоненти - резистори і провідники. Кожна ІС укладена в самостійний корпус. Застосування монолітних ІС - одна з характерних особливостей машин третього і четвертого поколінь.
Сучасні інтегральні мікросхеми з підвищеним ступенем інтеграції містять в одному корпусі набори різних елементів, з'єднаних всередині в схеми (мультиплексори, дешифратори), функціональні вузли (лічильники, регістри), арифметично-логічні пристрої тощо. При цьому виводи мікросхеми є входами і виходами цих функціональних вузлів, а не окремих елементів. Тому в даний час з'явився наступний рівень електронної основи обчислювальних машин - схемотехніка ЕОМ, в яку системи елементів входять як складові частини.