Поняття елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки

Тема 1.1 Вступ. Логічні елементи

Комп’ютерна схемотехніка – це науково-технічна дисципліна, яка вивчає теоретичні методи аналізу і синтезу схем комп’ютерів (електронних обчислювальних машин) і засоби їхньої технічної реалізації. Розвиток комп’ютерної схемотехніки є основою удосконалення архітектури комп’ютерів, якісного підвищення їхньої продуктивності та надійності, істотного зменшення масових та габаритних показників. Комп’ютери широко використовують у цивільній авіації та інших галузях господарства.

Технічні засоби комп'ютерної схемотехніки залежно від функцій, які вони виконують, поділяють на елементи, функціональні вузли і пристрої, а також мікропроцесори та комп'ютери (рис. 1.1). Вони призначені для оброблення дискретної інформації і тому називаються цифровими.

Технічні засоби комп'ютерної схемотехніки в даний час основані на інтегральних мікросхемах (IMC) різного ступеня складності.

Елементами в комп'ютерній схемотехніці називаються найменші неподільні мікроелектронні схеми (вироби), призначені для виконання логічних операцій або зберігання біта інформації. До елементів умовно відносяться і допоміжні схеми – підсилювачі, повторювачі, формувачі та ін.

Елементи будуються на основі двопозиційних ключів, що технічно реалізується найпростіше. Елементи з двома станами називаються двійковими. На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають у сталому режимі двох значень – високого UH і низького UL рівнів (індекси від англійських слів High і Low). Ці напруги відображають електричні сигнали. Сигнал з двома станами називається двійковим. Перехід елемента з одного стану в інший називається його перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли. Елементарні дії, які виконуються в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями.
У комп'ютерах команди виконують послідовністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функціональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призначені для виконання однієї або декількох мікрооперацій.
За логікою роботи функціональні вузли розподіляються на комбінаційні та послідовнісні схеми.

У комбінаційних схемах логічний стан виходів елементів залежить тільки від комбінації вхідних сигналів у даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу відносяться суматори, дешифратори, шифратори, мультиплексори і демультиплексори, схеми порівняння (компаратори) і контролю за парністю, кодоперетворювачі.
У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як комбінацією вихідних сигналів, так і станом пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу відносяться регістри, лічильники, генератори чисел і керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів будують різноманітні пристрої комп'ютерів.
Універсальність комп'ютерів забезпечує можливість приймання і видавання інформації, її зберігання та арифметико-логічне опрацьовування, а також керування усім обчислювальним процесом. Ці функції реалізуються відповідними пристроями введення, виведення, запам'ятовування, арифметико-логічними і керування. В усіх комп'ютерах використовують генератор тактових імпульсів (ГТІ), що виробляє періодичну послідовність прямокутних імпульсів, які називаються тактовими (С). Початок кожного імпульсу С називається тактовим моментом. Часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами С називається машинним тактом ТС. На початку кожного імпульсу С відбувається зміна інформації на входах елементів і вузлів машини (рис. 1.2).

Частота ГТІ вимірюється десятками і сотнями мегагерц. У літературі ГТІ часто називають генераторами синхронізуючих імпульсів, а самі імпульси називають синхронізуючими або синхроімпульсами. Амплітуда і полярність імпульсу C залежить від фізичних принципів побудови машини. Принцип подачі інформації на входи елементів і вузлів у тактові моменти називається дискретизацією сигналів у часі.
У комп'ютерній схемотехніці застосовуються два основних види двійкових сигналів: потенціальні й імпульсні (рис. 1.3). Сигнал, який змінюється тільки в тактові моменти часу, називається потенціальним. Сигнал, що наростає в тактовий момент, а спадає в границях даного такту, називається імпульсним. Тривалість потенціального сигналу дорівнює або кратна тривалості машинного такту.

У логіці значення двійкового сигналу і відповідної змінної Х кодуються символами 0 (лог. 0) і 1 (лог. 1). Напругу, що відображає символ 1, позначимо через U1, а символ 0 – через U0. Розрізняють два способи кодування логічних сигналів Хі потенціальними сигналами – позитивний та негативний. При позитивному кодуванні (позитивна логіка чи угода) більший рівень напруги UН з урахуванням знака відображає лог. 1, а менший UL – лог.0, тобто Х = 1, якщо U1 = UH, та Х = 0 при U0=UL (рис. 1.4, а). При негативному кодуванні (негативна логіка чи угода) більший рівень напруги UH з урахуванням знаку відображає лог. 0, а менший UL – лог. 1, тобто Х = 1, якщо U1 = UL, та Х = 0 при U0 = UH (рис. 1.4, б).

Для імпульсних сигналів розрізняють два роди кодування (рис. 1.5): перший – наявність імпульсу відображає лог. 1, відсутність – лог. 0; другий – наявність імпульсу однієї полярності відображає лог. 1, а іншої полярності – лог. 0.

Елементи комп’ютерів класифікуються за такими ознаками: використовуваними фізичними приладами; видом інформаційних сигналів; функціональним призначенням; конструкційно-технологічним виготовленням; рівнем і ступенем складності.

За типом фізичних приладів розрізняють такі елементи: побудовані на електронних лампах – перше покоління; на транзисторах – друге покоління; на ІМС малого і середнього ступеня інтеграції – третє покоління; на великих і надвеликих ІМС – четверте покоління.
За видом інформаційних сигналів виділяють: потенціальні елементи – використовуються тільки потенціальні сигнали; імпульсні елементи – використовуються тільки імпульсні сигнали; потенціально-імпульсні елементи – використовуються потенціальні й імпульсні сигнали.

За функціональним призначенням елементи комп’ютерної схемотехніки поділяють на такі класи: логічні елементи, призначені для виконання логічних операцій – НЕ, І, ЧИ, НЕ І, НЕ ЧИ, НЕ І ЧИ та ін.; елементи, які запам'ятовують – тригери, призначені для зберігання значення однієї двійкової змінної – нуля або одиниці, тобто одного біта інформації;
допоміжні елементи (підсилювачі, формувачі, перетворювачі сигналів, схеми часового узгодження, генератори імпульсів та ін.), призначені для забезпечення роботи елементів перших двох класів.

За конструкційно-технологічним виготовленням елементна база сучасної комп'ютерної схемотехніки складається з інтегральних мікросхем. Це – мікроелектронні вироби з високою щільністю упаковування електрорадіоелементів (резисторів, діодів, транзисторів) і з'єднань між ними. З погляду специфікації, випробування, постачання та експлуатації ІМС розглядаються як єдине ціле.
В ІМС електрорадіоелементи називаються елементами, якщо вони невіддільні від схеми, і компонентами, якщо їх можна використовувати самостійно. Надалі, щоб уникнути плутанини з елементами комп'ютерів, електрорадіоелементи називають просто компонентами.

Мікросхеми класифікують за такими головними ознаками:

технологією виготовлення – напівпровідникові, гібридні, плівкові; конструкційним оформленням – корпусні та безкорпусні; формою оброблення інформації – аналогові, цифрові й аналого-цифрові; ступенем інтеграції (складності) – малі, середні, великі, надвеликі й ультравеликі; типом активних елементів – побудованих на біполярних і МОН-транзисторах;
областю застосування – широкого застосування, спеціалізовані, у тому числі замовлені і напівзамовлені; використовуваними матеріалами – кремнієві, арсенід-галієві; перспективними напрямками – кріомікроелектронні, акустоелектронні, оптоелектронні, молекулярної електроніки та ін.

Набір цифрових мікросхем із спільними конструктційно-технологічними і схемотехнічними ознаками утворює серію ІМС. У комп'ютерній схемотехніці широко застосовуються цифрові напівпровідникові корпусні ІМС на основі кремнію і арсеніду галію.
У напівпровідникових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані в об’ємі і на поверхні кристала площею від 4 до 100 мм2. У гібридних ІМС навісні компоненти кріпляться на поверхні діелектричної підкладки. У плівкових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані у виді тонких плівок на діелектричній підкладці.
Складність мікросхем характеризується рівнем інтеграції N, ступенем інтеграції К = lgN і ступенем функціональної складності F = lgL, де N – число компонентів, комп.; L – число двовходових логічних елементів (вентилів); значення десяткового логарифма округляється до більшого цілого числа. Промисловість виготовляє ІМС від першого (менше 10 комп.) до шостого (менше 1 млн комп.) і вище ступеня інтеграції.
Можливості інтегральної технології визначає щільність упаковування: відношення числа компонентів до об'єму (іноді до площі) кристала. Щільність упаковування в напівпровідникових ІМС складає 107 комп. /см3, а для гібридних – 100–200 комп. /см3.
Мала інтегральна схема (МІС) вміщує до 100 комп. включно, середня мікросхема (СІС) – 100–1000 комп., велика інтегральна схема (ВІС) – до 100000 комп., надвелика інтегральна мікросхема (НВІС) – до 1 млн комп., а ультравелика (ультра-ВІС) – до 10 млн комп. і більше. На МІС будують елементи, на СІС реалізують типові вузли, на ВІС, НВІС і ультра-ВІС забезпечують побудову мікропроцесорів і мікрокомп’ютерів.
Кожна елементарна логічна функція реалізується відповідно логічним елементом: ЧИ (диз’юнктор), І (кон’юнктор), НЕ (інвертор). Для реалізації складних функцій логічні елементи об'єднуються у логічну схему.

Функціонально повна система логічних елементів дозволяє побудувати будь-яку складну логічну схему. Такі системи утворюються такими наборами логічних елементів: 1) ЧИ, НЕ; 2) І, НЕ; 3) НЕ ЧИ; 4) НЕ І та іншими.
У технічно повній системі елементів забезпечується значення електричних параметрів двійкових сигналів, для цього використовуються допоміжні елементи – підсилювачі, повторювачі, формувачі та ін.

З урахуванням вищевикладеного можна сказати, що система елементів являє собою функціонально і технічно повний набір елементів, який використовує однакові способи представлення інформації, а також має спільні конструктивно-технологічні характеристики.

Характеристики логічних елементів

Логічні, схемотехнічні й експлуатаційні властивості логічних елементів визначаються сукупністю характеристик і параметрів, до яких відносяться:

1) функції логічних елементів; 2) логічні угоди; 3) коефіцієнти об'єднання за входом і виходом; 4) коефіцієнт розгалуження; 5) швидкодія; 6) потужність споживання; 7) робота перемикання; 8) вхідні й вихідні напруги і струми; 9) статична і динамічна стійкість до перешкод; 10) надійність елементів; 11) допустимі розміри механічних впливів, діапазони тиску і температури навколишнього середовища, стійкість до радіаційних впливів; 12) маса, вартість і конструктивне оформлення. У більшості випадків зазначені характеристики і параметри відносяться і до ІМС, на яких реалізовані логічні елементи.
Коефіцієнт об'єднання за входом NI характеризує число логічних входів логічного елемента – зазвичай 1, 2, 3, 4 або 8 (рис.1.6).

Коефіцієнт об'єднання за виходом N0 характеризує допустиму кількість з’єднаних між собою виходів логічних елементів з метою утворення нових функцій.
Коефіцієнт розгалуження за виходом Nр характеризує навантажувальну спроможність логічного елемента, тобто максимальне число входів ідентичних схем, яке може бути одночасно залучене до виходу даного елемента без порушення його працездатності (рис. 1.7). До складу серій ІМС зазвичай входять елементи з малою навантажувальною спроможністю (Nр = 3...15) та з великою (Nр = = 30...50).

Прийняті такі визначення і буквені позначення електричних параметрів цифрових мікросхем (ДСТУ 2883-94): вхідні UI і вихідні UO рівні напруг (індекси – від англійських слів Input і Output); вхідні напруги низького UIL і високого UIH рівнів; для них установлюються максимальне значення низького рівня UIL max та мінімальне значення високого рівня UIH min (рис. 1.8, а); вихідні напруги низького UOL і високого UOH рівнів; для них установлені максимальне значення низького рівня UОL max та мінімальне значення високого рівня UОH min (рис. 1.8, б); вхідний II і вихідний IO струми; вхідний струм IIL – при низькому рівні напруги на вході, IIH – при високому; вихідний струм IOL – при низькому рівні напруги на виході, а IOH – при високому; UCC – значення напруги джерела живлення; IСС – струм, споживаний ІМС від джерела живлення; PСС – потужність, споживана ІМС від джерела живлення;
вхідні граничні напруги, при яких відбувається перемикання елемента: UTIH – найменше значення для високого рівня і UTIL – найбільше значення для низького рівня.

Основні параметри логічних елементів визначають за допомогою вхідної, вихідної і передатної характеристик. Типові графіки цих характеристик для інвертувальних елементів транзисторно - транзисторної логіки наведені на рис. 1.9.
Вхідна характеристика логічного елемента II = f (UI) – це залежність вхідного струму від зміни вхідної напруги. Струми, що втікають у схему елемента, вважають додатними, а ті, що витікають – від’ємними (рис.1.9, а). З цієї характеристики визначають вхідні струми IIL для напруги UIL max і струм IIH для напруги. UIH min.

Рис. 1.9. Характеристики логічного транзисторно - транзисторного елемента: а – вхідна; б – вихідна; в – передавальна

Вихідна характеристика логічного елемента UO = f (IО) визначає залежність вихідної напруги від струму навантаження для станів високого і низького рівнів (рис. 1.9, б).
Із цієї характеристики визначають допустимі значення струмів: IOL – при низькому рівні вихідної напруги UОL max і IOН – при високому рівні напруги UОН min (рис. 1.9, б).
Передатна характеристика UO = f (UI) – це залежність вихідної напруги від вхідної (рис. 1.9, в). З цієї характеристики визначають значення завадостійкості для низького рівня на вході МL (перешкода, що відкриває) і для високого рівня на вході МН (перешкода, що закриває):
ML = UTIL – UIL max; MH = UTH min – UTIH.

Середня споживана потужність P*CC елементом від джерела живлення обчислюється за формулою
P*CC = UCC (ICCL+ ICCH) / 2 = UCC I*CC,

де ICCL, ICCH – струми споживання при низькому і високому рівнях напруги на виході відповідно; I*CC – середній струм споживання.

Сучасні елементи споживають потужність від мікроват до десятків міліватів.
Потенціальні сигнали характеризуються значенням логічного перепаду (амплітудою) UM = UH – UL і тривалістю позитивного tWH та негативного tWL перепадів (рис. 1.10). Перепади напруг часто називають позитивними і негативними імпульсами.

Для вимірювання часових параметрів сигналу встановлюють умовні рівні в частках від амплітуди – 0,1; 0,5 і 0,9.

Швидкодію мікросхем визначають за значеннями таких тривалостей:
фронту tLH і спаду tHL (рис. 1.11, а); власне вмикання tTHL і вимикання tTLH (рис. 1.11, б); та їх затримки відповідно tDHL та tDLH; затримок поширення сигналу при вмиканні tPHL і вимиканні tPLH (рис. 1.11, в).

Для практичних розрахунків використовують середній час затримки поширення сигналу
tР = (tPHL + tPLH) / 2.
Для оцінки якості елемента широко використовують узагальнений параметр – роботу перемикання
AП = P*CC tP.
Якщо потужність P*CC вимірюється в міліватах, а час затримки – в наносекундах, то робота перемикання АП виражається в пікоджоулях (пДж). Значення узагальненого параметра АП знаходиться в границях 0,1–200 пДж. Чим менше значення АП, тим кращі характеристики має логічний елемент.

б – часу вмикання tTHL і вимикання tTLH; в – часу затримок розповсюдження сигналу при вмиканні tPHL та вимиканні tTLH

Надійність ІМС характеризується трьома взаємозалежними показниками: 1) інтенсивністю відмов l = n / (mt), де n – число відмов за час випробування, год; m – загальна кількість випробуваних мікросхем; 2) напрацюванням на відмову T = 1/l; 3) можливістю безвідмовної роботи протягом заданого інтервалу часу P = exp (–lt).
Для сучасних ІМС інтенсивність відмов l = (10–7…10-8). Прийнявши, що l = 10–8, t = 15000, одержимо значення ймовірності безвідмовної роботи P(t) = 0,998 або 99,8%.

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Відродження національної системи виховання і педагогіки в період становлення незалежності України	\|	Економічні задачі, які розв'язують за допомогою економетричних методів

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.