Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ

Логические основы построения вычислительной машины

Общие положения

Несколько слов о физических формах представления информации в компьюте­рах.

В вычислительных машинах коды нуля и единицы представляются электриче­скими сигналами, имеющими два различных состояния. Наиболее распростра­ненными способами физического представления информации являются импульс­ный и потенциальный:

- импульс или его отсутствие;

- высокий или низкий потенциал;

- высокий потенциал или его отсутствие.

При импульсном способе отображения код единицы идентифицируется наличи­ем электрического импульса, код нуля — его отсутствием (впрочем, может быть и наоборот). Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины. При потенциальном способе отображения код единицы — это высокий уровень напряжения, а код нуля — отсутствие сигнала или низкий его уровень. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и ампли­туда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия потенциала.

Вышесказанным обусловлено то, что для анализа и синтеза схем в компьютере широко используется математический аппарат алгебры логики, оперирующий также двумя понятиями «истина» или «ложь». Алгебра логики применяется и при алгоритмизации и программировании решения задач.

 Выполнение логических операции в ЭВМ

В ЭВМ чаще всего используются следующие операции:

1. OR(или)-логическое сложение;

2. AND(И)-логическое умножение;

3. XOR(исключающее ИЛИ- сложение по модулю 2);

4. NOT(НЕ)- операция отрицания.

Стандартные обозначения логических блоков

Логический элемент	Основной способ обозначения	Соответствие
Инвертор	А              В	В=
Схема И	А              С   В	С=
Схема ИЛИ	А              С   В	С=
Схема И-НЕ	А              С   В	С=
Схема ИЛИ-НЕ	А              С   В	С=

Пример реализации комбинационной логической схемы для 4-х элементов

х1& &x3  х1& &x3 & x4

                           х1     

х2                                                                                                                 

                                      x3

                                   x4

Запоминающие элементы ЭВМ

В общем случае логические устройства можно рассматривать состоящими из множества элементарных цепей, которые можно представить следующим образом

Вход                                                                                                               Выход

где КС- комбинационная схема, а ЗС- запоминающая схема.

КС реализуется на элементах типа ИЛИ-НЕ, И- ИЛИ-НЕ и т.д.

ЗС реализуется на триггерах.

Триггер- устройство с двумя устойчивыми состояниями, содержащее запоминающий элемент и схему управления( с английского спусковой крючок).

По функциональному назначению триггеры подразделяются на RS, T, JK, D триггеры и их комбинации.

По виду выходных сигналов они подразделяются на динамические и статические(потенциальные).

Также различают асинхронные и синхронные триггеры.

У асинхронных триггеров запись информации осуществляется непосредственно с наступлением информационного сигнала на его вход, а у синхронного только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

Состояние входов триггера зависит от:

- состояний входов в данный момент времени;

- предыдущих состояний входов и выходов.

Асинхронные триггеры

1. RS- триггер.

                                             Т                                       Q

           S                                                                               

          R                                                               

S- set –установка(единичный вход). R- reset- сброс(нулевой вход).

Таблица истинности

S	R	Q(t+1)	(t-1)
0	0	Q(t)	(t)
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	x	x

Примечание х- состояние не определено.

Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, мно­гократно изменялись.

Машины первого поколения строились на электронных лампах, второго - на дис­кретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах - транзисторах), третьего и последующих — на интегральных полупроводниковых схемах.

Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались сле­дующие системы элементов:

резисторно-диодные;

резисторно-транзисторные;

феррито-транзисторные;

диодно-транзисторные;

транзисторно-транзисторные.

Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили тран­зисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ — транзисторно-транзистор­но логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фик­сированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы — они содержат только транзисто­ры, что облегчает технологию их изготовления.

Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась:

в машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и крем­ниевые pnp и «npn-транзисторы;

в интегральных схемах применяются униполярные полевые МОП-транзисто­ры (МОП — металл-оксид-полупроводник, или МОS: Меtal-Охcidе-Semiconductor).

Полевые транзисторы (рис. 6.3) имеют три электрода:

- затвор (аналог базы биполярных транзисторов);

-исток (аналог эмиттера);

-сток (аналог коллектора).

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния, управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии элек­тронов (как в nрn -транзисторах) или дырок (как в рпр -транзисторах), а созда­ваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП-транзисторы и называют­ся полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 6.3).

Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

nМОП;

рМОП;

МОП с дополнительной симметрией (КМОП-транзисторы — комплементар­ная структура металл-оксид-полупроводник, СМOS — Complementary Мetal Охide Semiconductor).

Транзисторы «nМОП с каналом n-типа работают на основе электронной проводи­мости.

Транзисторы рМОП с каналом р-типа работают на основе дырочной проводимо­сти.

Быстродействие nМОП транзисторов несколько выше, чем рМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. Униполярный транзистор во включен­ном состоянии может проводить ток в любом направлении.

В настоящее время массовое применение имеют КМОП-транзисторы. Симмет­рия создается в схемах путем совместного использования nМОП- и pМОП-транзисторов.

В КМОП-схемах транзисторы nМОП и рМОП по отношению к источнику пи­тания обычно оказываются последовательно включенными, а по отношению к выходному сигналу — параллельно включенными. Поскольку затворы nМОП или рМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисто­ров оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП-схемы будет малым (небольшой ток будет про­текать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора элек­трически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электроста­тическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое.

Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обес­печивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотреб­ление, нежели биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут исполняться в более миниатюрном масштабе микротехнологий.