вычислительные сети

3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ

3.1Классификация элементов и узлов ЭВМ

•Основные понятия и определения

•Классификация элементов ЭВМ

•Основные характеристики и параметры интегральных схем

I.Основные понятия и определения

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Технические и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру. Структура - совокупность элементов и связей. В структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует определенным операциям преобразования информации, заложенным в программах пользователей. Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи - чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей. Любая структурная единица осуществляет преобразование входной величины Х в выходную Y (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Представление схемы ЭВМ.

Все ЭВМ строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.д.). Основу набора составляют большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы

(СБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, нот каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д. В ЭВМ широко используются два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе представления сигналов единичному значению некоторой двоичной переменной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряжения), нулевому - отсутствие импульса (рис.1.2). Длительность импульсного сигнала не превышает одного такта синхроимпульсов.

Рис. 1.2 Импульсные сигналы.

При потенциальном или статическом представлении сигналов единичное значение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, а нулевое значение - низким уровнем (рис. 1.3.)

Рис. 1.3. Потенциальные сигналы.

Независимо от видов сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи информации в ЭВМ. При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обработка такой информации производится последовательно, т.е. разряд за разрядом. Этот вид представления требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время обработки определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов). Параллельный код отображения и передачи информации предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах, т.е. параллельный код развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов. Во всех ЭВМ используют параллельно – последовательные коды представления информации. При этом информация отображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом. В схемотехнике ЭВМ в качестве первичных понятий различают электрорадиоэлементы и элементы. Применительно к интегральной схемотехнике электрорадиоэлементами считаются резисторы R, конденсаторы С, индуктивности L, диоды Д, транзисторы Т и др.

Электрорадиоэлемент — часть интегральной схемы (ИС), выполненная нераздельно от кристалла ИС (или ее подложки), поэтому ее нельзя отделить от ИС, испытать, упаковать и эксплуатировать. Электрорадиоэлемент является элементом ИС (например, пленочный резистор гибридной ИС или интегральный транзистор в полупроводниковой ИС).

Компонента ИС — часть ИС, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента.

Эта часть ИС перед монтажом была самостоятельным изделием в специальной упаковке (комплектующее изделие), поэтому компонента может быть отделена от изготовленной ИС (например, бескорпусный транзистор или керамический конденсатор в гибридной ИС).

Подложка ИС — заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата ИС — часть подложки (или вся подложка) гибридной или пленочной ИС, на поверхности которой нанесены пленочные элементы ИС, межэлементные соединения и контактные площадки.

Полупроводниковая пластина — заготовка из полупроводникового материала (круглый тонкий диск), используемая для создания полупроводниковой ИС. Это может быть не только заготовка, но и пластина со сформированными элементами полупроводниковых ИС до резки на отдельные кристаллы.

Кристаллы ИС — части пластины, получаемые после ее резки (обычно они образуют сетку в виде одинаковых прямоугольников), в объеме и на поверхности которых сформированы элементы полупроводниковой ИС, межэлементные соединения и контактные площадки. Габаритные размеры кристаллов от 1,5X1.5 до 10X10 мм.

Контактные площадки ИС — металлизированный участок на плате или на кристалле, предназначенный для присоединения выводов контактов и ИС, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Элемент ЭВМ — электронная схема, представляющая собой некоторую совокупность компонентов и выполняющая определенную функцию: логическую, хранения информации, вспомогательную или специальную.

II. Классификация элементов ЭВМ

Элементы ЭВМ классифицируются по функциональному назначению; типу связи; типу логики; полярности логики; технологии изготовления; конструктивному оформлению; способу питания; электрическим и эксплуатационным параметром;

По функциональному назначению элементы ЭВМ делят на элементы:

•логические

•хранения информации (элементы памяти)

•вспомогательные

•специальные

Логические элементы предназначены для логического преобразования информации, представляемой в виде двоичных чисел. Переменные величины и функции от них могут принимать значения “О” и “I” и соответственно называться логическими переменными и логическими функциями. Логические элементы реализуют логические функции (операции) и подразделяются на:

•элементы, реализующие операцию логическое умножение — конъюнкцию (конъюнкторы, элементы И, схемы совпадения);

•элементы, реализующие операцию логическое сложение — дизъюнкцию (дизъюнкторы, элементы ИЛИ, схемы собирания);

Каждый тип связи элементов имеет свои достоинства и недостатки. Так, при потенциальной связи элементов снимается ограничение по низкой частоте, однако расходуется больше мощности на элемент, чем при импульсной связи. При импульсной связи с повышением быстродействия усложняется синхронизация сигналов, так как имеет место смещение уровней во Времени за счет наличия емкостей, что может привести к ложному срабатыванию элементов. Наибольшее распространение в ЭВМ получила потенциальная связь элементов, так как в интегральной технологии трудно изготовить конденсаторы и трансформаторы. В ЭВМ различают потенциальные и импульсные сигналы. Потенциальный сигнал отличается от импульсного длительностью, которая может быть бесконечно большой. Примером потенциального сигнала является сигнал с выхода транзисторного триггера. В настоящее время в ЭВМ принято вид сигнала определять через длительность такта, определяемую частотой тактового (задающего) генератора. Сигнал считается импульсом, если имеет длительность меньше длительности такта, и потенциалом, если имеет длительность, равную или больше длительности такта.

По типу логики элементы ЭВМ делят на элементы:

•диодной логики (ДЛ);

•резисторно-транзисторной логики (РТЛ);

•резисторно-емкостной транзисторной логики (РЕТЛ);

•диодно-транзисторной логики (ДТЛ);

•транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ);

•эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ);

•интегральной инжекционной логики (ИЛ).

Перечисленная классификация элементов (ЦИС) относится к схемам на биполярных транзисторах.

По технологии изготовления элементы ЭВМ могут быть:

•полупроводниковые;

•пленочные;

•гибридные.

B полупроводниковой ЦИС все компоненты и межкомпонентные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

В пленочной ЦИС все компоненты и соединения выполнены в виде пленок. Различают тонкопленочные и толстопленочные ЦИС. Тонкопленочные имеют толщину пленок до 1 мкм, а толстопленочные — свыше 1 мкм.

В гибридной ЦИС имеют место простые и сложные компоненты. Например,бескорпусные транзисторы,кристаллы полупроводниковых ЦИС. Частным случаем гибридной ЦИС является многокристальная ЦИС (совокупность нескольких бескорпусных ЦИС на одной подложке).

По конструктивному оформлению элементы ЭВМ делят на:

•корпусные

•бескорпусные

Корпус — часть конструкции ЦИС, предназначенная для ее защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. (Типы и размеры корпусов гостированы (ГОСТ 17467 — 79. Микросхемы интегральные. Основные размеры).

Бескорпусная ЦИС не имеет собственной защиты от внешних воздействий. Ее защита обеспечивается корпусом устройства, в котором данная ЦИС установлена. Выводы

бескорпусной ЦИС — проводники, обеспечивающие электрическое соединение с внешними цепями. По выводам отводится значительная часть теплоты, выделяемой схемой. Выводы бескорпусной ЦИС могут быть жесткими (шариковые, столбиковые, балочные) или гибкими (лепестковые, проволочные).<BR<>

По электрическим и эксплуатационным параметрам элементы ЭВМ характеризуются:

•быстродействием

•мощностью рассеяния (большой, средней, малой);

•эксплуатационными параметрами (надежностью, устойчивостью к механическим воздействиям, климатическими условиям, температурным диапазонам и др.).

По экономическим параметрам элементы ЭВМ характеризуются в основном стоимостью, которая зависит от технологии изготовления, назначения и пр.

III.Основные характеристики и параметры интегральных схем

1.Статические характеристики

Косновным статическим характеристикам относятся: входная, передаточная и выходная. На рис. 3.1 приведена схема для снятия основных статических характеристик ЦИС.

Рис. 3.1 Схема для снятия основных статических характеристик ЦИС.

Входная характеристика ЦИС - зависимость входного тока Iвх от входного напряжения Uвх, т. е. Iвх= f1(Uвх). Характеристика снимается для одного из входов xi • ЦИС, а остальные входы подключаются к цепи, в которой действуют напряжения уровня

Передаточная характеристика ЦИС - зависимость выходного напряжения Uвых от входного напряжения Uвх , Uвых= f1(Uвх). Характеристика снимается для одного из входов хi, а остальные входы подключаются к цепи, в которой действуют уровни напряжения U1 или U0 при заданном количестве нагрузок Краз на выходе элемента. Из этой характеристики определяются уровни напряжения U1, U0, напряжение логического перепада пороговое напряжение Uпop и параметры к помехоустойчивости.

Выходная характеристика ЦИС - зависимость выходного тока Iвых от выходного напряжения Uвых,т. е. Iвых= f3(Uвых). Характеристика снимается для двух состояний элемента: 1) на выходе - уровень напряжения U0вых; 2) на выходе - уровень напряжения U1вых. Для получения выходного напряжения Uвых используется внешний, регулируемый по значению и полярности напряжения ± Uип источник питания. Из этой характеристики определяются выходные токи логических нуля I0вых и единицы I1вых при уровнях напряжения U0вых и U1вых соответственно.

2. Статические параметры

•напряжение логической единицы U1;

•напряжение логического нуля U0

•пороговое напряжение элемента Unop (Unop - входное напряжение, малые отклонения от которого в ту или другую сторону приводят к переходу элемента на его выходе из состояния "1" в состояние "0" или обратно);

•входной ток логической "1" I1вх;

•входной ток логического "0" I0вх;

•выходной ток логического "0" I0вых;

•выходной ток логической "1" I1вых;

•логический перепад ;

•напряжение статической помехи - наибольшее напряжение, не изменяющее работу элемента;

•входное сопротивление

•выходное сопротивление

•мощность потребления в состоянии логического "0" Р0п;

•мощность потребления в состоянии логической "1" Р1п;

•средняя мощность потребления Рп.ср= (Р0п +Р1п) / 2 (на один элемент);

•напряжение источника питания Uиn (указывается номинал, отклонение от номинала, величина пульсации);

•диапазон рабочей температуры t,°С;

•коэффициент объединения по входу Коб - определяет максимальное число входов элемента (с учетом входов логического расширителя). Различают коэффициент

объединения по входу И Коби и по входу ИЛИ Кобили;

•коэффициент разветвления по выходу Краз (нагрузочная способность)

характеризует количество входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу элемента. С увеличением числа нагрузок некоторые параметры ЦИС ухудшаются: снижаются быстродействие и помехоустойчивость, увеличивается мощность потребления.

3.2Комбинационные схемы

•Дешифраторы

•Шифраторы

•Схемы сравнения (компараторы)

•Комбинационные сумматоры

Обработка входной информации в выходную в любых схемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифровыми автоматами двух видов: комбинационными схемами и схемами с памятью. Комбинационные схемы (КС) - это схемы, у которых входные сигналы Y=(Y1,Y2,…Ym) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов Х=(Х1,Х2,…,Хn), поступающих в тот же момент времени t. Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу же при поступлении входных сигналов. Одним из достоинств комбинационных схем является быстродействие. Преобразование информации описывается логическими функциями вида Y=F(X).

Логические функции и соответствующие им комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры. Регулярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущим. В нерегулярных структурах такая аналогия отсутствует.

В практике проектирования ЭВМ накоплен большой опыт по синтезу различных схем. Многие регулярные структуры положены в основу построения отдельных ИС малой и средней степени интеграции или отдельных функциональных частей БИС и СБИС. Из

регулярных комбинационных схем наиболее распространены дешифраторы, шифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, коммутаторы и т.д.

I. Дешифраторы

Дешифраторы (ДШ) - это комбинационные схемы с n входами и m=2n выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из m выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов. Логические зависимости дешифратора:

Данные таблицы 1.1 получены по логическим зависимостям для n = 3.

Таблица 1.1 Таблица истинности дешифратора

На рис. 1.1 представлена структурная схема дешифратора, построенная в базисе (И,

НЕ).

Рис. 1.1 Структурная схема дешифратора

Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации по

Шифратор (Ш) решает задачу, обратную схемам ДШ, т.е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов. Логические зависимости шифратора:

Таблица 2.1 Таблица истинности шифратора

Рис. 2.1 Структурная схема шифратора

III. Схемы сравнения (компараторы)

Компараторы широко используются при построении сумматоров. Таблица истинности (таб. 3.1) отражает логику работы i-го разряда схемы сравнения при сравнении двух векторов - А и В.

Таблица 3.1 Таблица истинности компаратора

Логическая зависимость компаратора:

На рис. 3.1 показана структурная схема компаратора, где, помимо выхода Y2, фиксирующего равенство значений разрядов, показаны выходы Y1 и Y3, соответствующие сигналам "больше" и "меньше".

Рис. 3.1 – Структурная схема шифратора

IV. Комбинационные сумматоры

Принципы построения и работы сумматора вытекают из правил сложения двоичных цифр. Схема сумматора также является регулярной и широко используется в ЭВМ. При сложении одноразрядных двоичных цифр можно выявить закономерности в построении и много разрядных сумматоров.

Рассмотрим сумматор, обеспечивающий сложение двух двоичных цифр А1 и В1, считая, что переносы из предыдущего разряда не поступают. Этой логике отвечает сложение младших разрядов двоичных чисел. Процесс сложения описывается таблицей истинности (табл. 4.1) и логическими зависимостями (4.1), где Si - функция одноразрядной суммы и Рi - функция формирования переноса. Перенос формируется в том случае, когда А1=1 и В1=1.

Таблица 4.1 Таблица истинности комбинационного сумматора

Зависимости (4.1) соответствуют логике работы самого младшего разряда любого сумматора. Структурная схема одноразрядного сумматора представлена на рис 4.1