Общая характеристика элементов и узлов ЭВМ
В основе компьютерной схемотехники лежит иерархический принцип организации основных структурных компонентов. Каждому уровню такой организации соответствуют вполне определенные операции по преобразованию двоичной информации.
Нижний уровень образуют элементы ЭВМ, выполняющие функции простейших преобразователей информации. Они реализуют необходимые логические операции над сигналами одноразрядных двоичных переменных, а также обеспечивают запоминание, формирование и преобразование этих сигналов.
120
Узлы ЭВМ осуществляют одновременную обработку сигналов, представляющих многоразрядные машинные слова. К их числу относятся, например, регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и др.
Устройства ЭВМ (запоминающие, управляющие, обрабатывающие, ввода - вывода и др.) обеспечивают (в соответствии с заданной программой) выполнение требуемой последовательности машинных операций.
Все современные вычислительные машины реализуются, в основном, с использованием интегральных микросхем (ИС). Любая ИС представляет собой пространственную твердотельную многослойную структуру, сформированную в кристалле полупроводникового материала и содержащую сотни тысяч транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов схемы. Степень интеграции микросхем неуклонно повышается. Создаются так называемые большие, сверхбольшие и даже ультра большие интегральные схемы (соответственно, БИС, СБИС и УБИС).
В функциональном отношении такие ИС могут соответствовать даже устройствам ЭВМ. Однако в любом случае каждая из них всегда состоит из отдельных элементов, реализующих простейшие функции преобразования информации.
Несмотря на огромное количество элементов, используемых в составе ЭВМ, число их разновидностей (типов) относительно невелико. Это существенно упрощает процесс проектирования ЭВМ и повышает технологичность производства. Типовой набор, образующий систему элементов ЭВМ, должен обладать общими электронными, конструктивными и технологическими свойствами, использовать однотипные межэлементные связи, совместимые по своим входным и выходным параметрам.
Любая система элементов характеризуется определенным способом представления двоичной информации. Поступающие на вход элементов двоичные переменные (0 и 1) представляются такими физическими сигналами, которые принимают два хорошо различимых значения.
В настоящее время наибольшее распространение получил потенциальный способ представления, при котором двоичные цифры представляются различными уровнями электрического напряжения, например, низкому уровню Uн соответствует 0, а высокому Uв - 1 (рис. 6.3). Разность между этими уровнями называется логическим перепадом Uл.
Постоянным уровням напряжений на входе и выходе элемента соответствует статический режим его работы. Изменение этих уровней (от высокого к низкому или наоборот) вызывает в элементе переходные процессы, характеризующие динамический режим.
121
Рис. 6.3. Потенциальный способ представления двоичной информации
При построении узлов и устройств ЭВМ оцениваются также такие технические характеристики элементов, как нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, потребляемая мощность, помехоустойчивость, быстродействие и др Многие из этих характеристик рассматриваются как в статическом, так и динамическом режиме работы элемента.
Нагрузочная способность элемента определяется допустимым числом n аналогичных элементов, подключенных к его выходу, при котором обеспечивается их срабатывание. Коэффициент объединения по входу m характеризует максимальное число элементов, подключенных к входу элемента без изменения его выходного сигнала. С увеличением коэффициентов пит упрощается техническая реализация логических устройств ЭВМ, сокращается общее количество необходимых элементов.
Потребляемая мощность определяет требования, предъявляемые к используемым источникам электропитания. Эта мощность, в основном, потребляется в динамическом режиме, возрастая с увеличением частоты переключения элементов. Значительная часть потребляемой мощности рассеивается в виде тепла, вызывая перегрев и, следовательно, изменение технических характеристик электронных компонентов.
Данное обстоятельство учитывается как в технологии получения интегральных микросхем, гак и при разработке конструкций соответствующих узлов и устройств ЭВМ.
Помехоустойчивость элементов рассматривается как в статическом, так и динамическом режиме работы Статическая помехоустойчивость определяется значением напряжения, которое может быть подано на вход элемента относительно нулевого или единичного уровня, не вызывая его ложного срабатывания. Обычно допустимая статическая помеха не превышает низкого нулевого уровня напряжения. Динамическая
122
помехоустойчивость элемента зависит от временных параметров импульса помехи, его формы, частоты, амплитуды и т.п. Часто импульсные помехи являются внешними по отношению к данному элементу и не зависят от его параметров. Влияние таких помех уменьшают путем улучшения экранирующих свойств конструкции и линий межэлементных связей.
Быстродействие элементов определяется предельной рабочей частотой их переключения. Стремление к увеличению этой частоты вынуждает сокращать до минимума длительность входных сигналов. В быстродействующих ЭВМ он составляет десятки и даже единицы наносекунды (10- 8 - 10- 9с.). Кратковременный и прерывистый характер воздействия сигналов на схемы элементов вызывает в них переходные процессы, при которых изменение логического состояния происходит не мгновенно (как на рис. 6.3), а в течение времени формирования переднего и заднего фронтов выходного сигнала. Передний фронт tф (0, 1) формируется при переходе элемента из состояния "0" в состояние "1", а задний фронт tф (1, 0) - при переходе из "1" в "0".
Из - за наличия фронтов у сигналов, поступающих на вход элемента, его срабатывание всегда происходит с определенной задержкой как на переднем tзд (0, 1), так и на заднем tзд (1, 0) фронте.
Максимальная рабочая частота элемента зависит от длительности фронтов и задержки переключения. Обычно временной интервал Т между соседними переключениями выбирается в 10 - 20 раз больше, чем tф и tзд.
Это обеспечивает полное затухание всех переходных процессов в элементе к приходу следующего сигнала переключения. В современных элементах ЭВМ предельная рабочая частота f = 1/Т достигает сотен мегагерц.
В п. 6.1 была дана классификация цифровых устройств преобразования информации на комбинационные схемы и цифровые автоматы с памятью. Напомним, что комбинационные схемы выполняют логические операции над наборами входных двоичных переменных, причем результат этих операций зависит только от комбинации входных переменных и вырабатывается сразу после их поступления. Цифровые автоматы обладают некоторым числом внутренних дискретных состояний, поэтому их выходные сигналы зависят не только от комбинации входных переменных, но и от состояния автомата.
Техническая реализация цифровых устройств этих двух классов требует использования соответствующих элементов. Комбинационные схемы выполняются на логических элементах; цифровые автоматы кроме логических элементов используют также запоминающие элементы, которые фиксируют их внутреннее состояние.
Дадим общую характеристику логическим и запоминающим элементам ЭВМ.
123
120 :: 121 :: 122 :: 123 :: Содержание
