ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Схемотехника эвм

Учебное пособие

Часть 1

Научный редактор доц., канд. техн. наук И. В. Хмелевский

Екатеринбург

УГТУ–УПИ

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 4

ВВЕДЕНИЕ.. 5

1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 7

1.1. Основные определения в области микросхемотехники.. 7

1.2. Основные обозначения на схемах. 8

1.3. Основные положения модели поведения полупроводниковых приборов.. 13

1.3.1. Полупроводниковый p-n-переход. 13

1.3.2. Полупроводниковый диод.. 16

1.3.3. Биполярный транзистор.. 21

1.3.4. Полевой транзистор.. 26

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ.. 33

2.1. Введение в алгебру логики.. 33

2.2. Булевый базис. 34

2.3. Произвольные функции и логические схемы... 35

2.4. Законы булевой алгебры... 37

2.5. Положительная и отрицательная логика. 39

3. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ... 40

3.1. Параметры микросхем.. 40

3.2. Особенности логических элементов различных логик. 44

3.2.1. Диодно-транзисторная логика. 44

3.2.2. Высокопороговая логика. 47

3.2.3. Транзисторно-транзисторная логика. 48

3.2.4. Типы выходных каскадов.. 53

3.2.5. Микросхемы с тремя логическими состояниями.. 53

4. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ.. 53

4.1. Логические элементы на МОП-транзисторах. 53

4.2. Цифровые микросхемы КМОП.. 53

4.3. Микросхемы с буферными выходами.. 53

4.4. Основные логические элементы КМОП.. 53

5. СХЕМОТЕХНИКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ИНЖЕКЦИОННОЙ ЛОГИКИ И ЭСЛ.. 53

5.1. Схемы с непосредственными связями.. 53

5.2. Схемотехника ИС инжекционной логики И²Л.. 53

5.3. Эмиттерно-связанная логика. 53

6. ТРИГГЕРЫ... 53

6.1. Общие сведения о триггерных устройствах. 53

6.2. Асинхронный RS-триггер.. 53

6.3. Триггерные системы... 53

6.3.1. Синхронный RS-триггер.. 53

6.4. Тактируемый D-триггер.. 53

6.5. Счетный Т-триггер.. 53

6.6. Двухступенчатые триггеры... 53

6.7. JK-триггеры... 53

7. СЧЕТЧИКИ.. 53

7.1. Общие положения. 53

7.2. Классификация счетчиков.. 53

7.2.1. Асинхронные суммирующие счетчики с последовательным переносом 53

7.2.2. Асинхронные вычитающие счетчики с последовательным переносом.. 53

7.2.3. Асинхронные реверсивные счетчики с последовательным переносом.. 53

7.3. Параллельное соединение счетчиков.. 53

7.4. Последовательное соединение счетчиков.. 53

7.5.Синхронные двоичные счетчики со сквозным переносом. 53

7.6.Синхронные двоичные счетчики с параллельным переносом. 53

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. 53

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные ЭВМ строятся на типовых электронных схемах, изучение которых предусматривается в отдельном курсе – «Схемотехника ЭВМ». В предлагаемом учебном пособии рассматривается широкий круг вопросов, связанных с изучением, проектированием и применением цифровых элементов в микросхемном исполнении для реализации функциональных узлов и устройств ЭВМ. Описывается использование в схемотехнике стандартных элементов и типовых функциональных узлов. В данной работе под ЭВМ понимается любое устройство переработки цифровой информации (от микроконтроллера, управляющего работой двигателя в автомобиле до суперЭВМ).

Материал предлагаемого учебного пособия представляет собой минимум сведений, который необходим пользователю ЭВМ для получения представления о принципах работы элементов, составляющих основу ЭВМ и используемых в ее схемотехнике. Эти элементы реализуются в настоящее время на основе интегральных микросхем. Интегральные микросхемы распространены сейчас настолько широко, что умение применять их при проектировании различных устройств должно быть обязательным элементом профессиональной грамотности современного инженера-системотехника.

Учебное пособие написано в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Схемотехника ЭВМ» для студентов всех форм обучения специальностей 210100 и 230101.

Необходимость в написании данного учебного пособия возникла в связи с изменением учебных программ, значительным сокращением аудиторных занятий и увеличением времени на самостоятельную работу, а также появлением новых методов обучения, таких как дистанционное.

Для усвоения содержания настоящего учебного пособия необходимо знание физики, теоретических основ электротехники и основ электроники в объеме действующего государственного образовательного стандарта для указанных специальностей.

Пособие соответствует государственным образовательным стандартам специальностей 210100 – Автоматика и информатика в технических системах, 230101 – Вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

Содержание пособия основано на материалах книг, перечень которых приведен в списке литературы, и на материале курса лекций, читаемого автором на кафедре Автоматика и информационные технологии Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. Ссылки на соответствующие источники приводятся по мере необходимости при рассмотрении изучаемых тем.

Автор благодарит рецензентов и сотрудников кафедры за ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержательной части учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Первые ЭВМ появились в середине 40-х гг. (около 70 лет назад). На смену однопрограммным и однопроцессорным ЭВМ пришли многопрограммные и многопроцессорные ЭВМ, широкое распространение получили персональные ЭВМ – персональные компьютеры (РС).

Быстрыми темпами развивается и элементная база, которая в настоящее время получила название схемотехники ЭВМ.

Элементной базой машин первого поколения были электронные лампы. Основная электронная схема этих ЭВМ – симметричный триггер – была создана в 1918 г. российским ученым М.А. Бонч–Бруевичем. В 1919 г. аналогичная схема была независимо разработана также американскими учеными В. Икклзом и Ф. Джорданом (W.H. Eccles and F.W. Jordan).

Первые отечественные ЭВМ были разработаны С. А. Лебедевым и Б.И. Рамеевым в 1948 г. В 1949–1951 гг. по проекту С.А. Лебедева была построена малая электронная счетная машина (МЭСМ), а в 1952 г. – БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина). В то время это была одна из лучших серийно выпускаемых машин в мире. В дальнейшем выпускались машины типа «Стрела», «Урал», а в 1958 г. была запущена в производство наиболее совершенная ЭВМ первого поколения М-20.

ЭВМ второго поколения строились на базе транзисторов. В нашей стране это были ЭВМ типа «Наири», «Мир», «Минск», БЭСМ-4, М-220 и лучшая из машин второго поколения – БЭСМ-6.

В конце 50-х гг. начались работы по микроминиатюризации электронных элементов. Разрабатывались микромодульные конструкции из дискретных элементов, которые позволили увеличить плотность компоновки в 5–8 раз. В 60-х гг. возникло новое направление в электронике – интегральная микроэлектроника. В качестве элементной базы вычислительных устройств стали использовать интегральные микросхемы малой степени интеграции с десятками активных элементов на кристалл, а также гибридные схемы на пассивной подложке с навесными активными элементами. Это позволило сократить габариты и потребляемую мощность, повысить быстродействие, снизить себестоимость больших ЭВМ. Использование интегральных микросхем способствовало появлению малогабаритных надежных дешевых машин третьего поколения – миниЭВМ.

Успехи микроэлектроники позволили создать БИС и СБИС, содержащие десятки тысяч активных элементов. В 70-х гг. начался выпуск моделей первой очереди ЭВМ серии ЕС (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1033, ЕС-1052), в 80-х – ЕС второй очереди (ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1060, ЕС-1065). Модели ЭВМ второй очереди отличались более совершенной схемотехникой и конструктивно-технологической базой.

Совершенствование БИС и СБИС привело к появлению новых типов микросхем – микропроцессоров. Первоначально под микропроцессором понималась БИС, в которой размещен процессор простой архитектуры. В результате были созданы дешевые микрокалькуляторы и микроконтроллеры – устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащие процессор, память и устройства сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами.

В это же время появились и первые микроЭВМ – универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода/вывода и тактового генератора, размещенные в одной БИС (однокристальные ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной плате (одноплатные ЭВМ).

Совершенствование технологии позволило изготовить сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие сотни тысяч активных элементов. Это привело к созданию небольшого настольного прибора, в котором размещались микроЭВМ, клавиатура, монитор, магнитный накопитель информации (ленточный или дисковый), а также схема сопряжения с печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ. Этот прибор получил название персональный компьютер (ПК).

Благодаря простоте общения с этой ЭВМ и низкой стоимости персональный компьютер стал стремительно внедряться в различные сферы человеческой деятельности.

Одной из характерных особенностей ЭВМ четвертого поколения является переход от интеграции функциональных схем к интеграции подсистем ЭВМ. В рамках этого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием несколько десятков или сотен миллионов операций в секунду и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры. Примером вычислительной системы четвертого поколения является многопроцессорный комплекс «Эльбрус».

Контуры архитектуры пятого поколения ЭВМ только разрабатываются, и возможны следующие его характеристики: элементная база – оптоэлектроника, криоэлектроника, нанотехнологии, СБИС; объем оперативной памяти – 4–16 Гбайт, быстродействие – 1000 млрд. оп./с; средства обмена с пользователем – устройства голосовой связи.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Поиск по сайту: