🗊Презентация Схемотехника. Введение в дисциплину

Вводная лекция Продолжение семенара

Учебные вопросы: 1) Эволюция ЭВМ с точки зрения элементной базы 2) Классификация элементов и узлов ЭВМ 3) Система элементов (СЭ) ЭВМ. Основные требования к системам элементов 4)  Статические и динамические параметры и характеристики элементов ЭВМ

Введение в дисциплину. Опр. (БСЭ) Схемотехника — научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Опр. (Науч.-техн. Словарь) Схемотехника - научно-техническое направление, охватывающее проблемы анализа и синтеза электронных устройств радиотехники, связи, автоматики, вычислит. техники с целью обеспечения оптимального выполнения ими заданных функций. Основная задача: синтез (определение структуры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определенных функций и расчет параметров, входящих в них элементов

Эволюция ЭВМ с точки зрения элементной базы 1. Ламповые (1945-1955) — электронные лампы. 2. Полупроводниковые транзисторы (1955-1965) — в 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs создали биполярный транзистор. 3. ИМС (интегральные микросхемы) малой и средней степени интеграции (1965-1980). МИС и СИС имели до 100 и до 1000 элементов на кристалле (соответственно). 4. БИС/СБИС (большая и свехбольшая ИС) (1980- наст. вр.) имеют до 10К/1 М элементов на крисстале. Для более крупных были обозначения УБИС (ультрабольшая ИС) и ГБИС (гигабольшая ИС)

Классификация элементов и узлов ЭВМ При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: Элементы- 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 Устройства- предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей,

Классификация элементов и узлов ЭВМ В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразование входной информации «Х» в выходную «У» .Все современные вычислительные машины 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 миниатюрную 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.п.).

Классификация элементов и узлов ЭВМ Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: I. ПО НАЗНАЧЕНИЮ: - логические, в них входные сигналы преобразуются в выходные по законам алгебры логики; - запоминающие, в них значение сигналов сохраняется определенное время; - вспомогательные, в них входные сигналы преобразуются из одной формы в другую, без изменения содержания, например - усиливаются.

Классификация элементов и узлов ЭВМ II. ПО ТИПУ СИГНАЛОВ: - потенциальные; - импульсные; - смешанные. III. ПО СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ (количеству компонентов (диодов, транзисторов), размещаемых на кристалле заданной площади): - малой степени интеграции (МИС),(SSI - Small scale integration)до 100 компонентов; - средней степени интеграции (СИС), (MSI - Medium ...)от 101 до 1000 компонентов; - большой степени интеграции (БИС), (LSI - Large ...)от 1001 до 10 000 компонентов; - сверх большой степени интеграции (СБИС), (VLSI - Vary ...)более 10 000 компонентов. По мере совершенствования технологии изготовления ИМС, границы могут изменяться.

Классификация элементов и узлов ЭВМ IV. ПО СЕРИИ (ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ). СЕРИЯ - это совокупность ИМС, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного использования. ИМС одной серии согласуются по физическим параметрам базовых логических элементов (Vсс, VН, VL и др.)При создании ЦУ целесообразно использовать ИМС одной серии (технологии). БАЗОВЫМ ЛЭ считается тот ЛЭ, параметры которого наиболее полно характеризуют физические свойства большинства ИМС данной серии.

Классификация элементов и узлов ЭВМ В настоящее время разработано несколько десятков серий (технологий ) ИМС, наиболее широкое применение находят: а) выполненные на основе биполярных многоэмиттерных n-p-n и p-n-p транзисторах: - технология транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ, 1963 г.); - технология эмиттерно-связной логики (ЭСЛ, 1970 г.); б) выполненные на основе униполярных полевых n- и p- канальных транзисторах, иначе на МОП-транзисторах: - комплиментарная МОП технология (1968 г.); - n-МОП технология. Причем каждая из этих технологий имеет несколько разновидностей.

Классификация элементов и узлов ЭВМ СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ. Согласно ГОСТу 18682-73 обозначение ИС состоит из 4-х элементов:

Классификация элементов и узлов ЭВМ -1-ый элемент обозначает конструктивно-технологическую группу: 1,5,7 - полупроводниковые ИС, в них все элементы и межэлементные связи (соединения) выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. 3 - пленочные ИС, в них все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок. 2,4,6,8 - гибридные ИС; -2-ой элемент обозначает порядковый номер серии; ЗАМЕЧАНИЕ:1-ый и 2-ой элементы вместе образуют номер серии ИМС.

Классификация элементов и узлов ЭВМ -3-ий элемент, две буквы, определяют функциональное назначение, причем: первая буква определяет подгруппу, например: В - схемы вычислительных средств; И - схемы арифметических и дискретных устройств; Л - логические элементы; Р - схемы ЗУ; Т - триггеры; и другие.

Классификация элементов и узлов ЭВМ вторая буква определяет вид ИС (для каждой подгруппы свой перечень), например подгруппа логических элементов обозначена "Л", а внутри этой подгруппы имеются следующие виды: ЛИ - элемент И; ЛА - И-НЕ; ЛН - НЕ; ЛР - И-ИЛИ-НЕ; ЛЛ - ИЛИ; ЛД - расширители; и др. Подгруппа И - схемы цифровых устройств, например: ИР - регистры; ИМ - сумматоры; ИЛ - полусумматоры; ИЕ - счетчики; ИВ - шифраторы; ИД - дешифраторы; и др. Подгруппа Т - триггеры: ТВ - универсальные типа JK; ТТ - счетные типа Т; ТМ - с задержкой типа D; ТЛ - Шмитта; и др.

Классификация элементов и узлов ЭВМ -4-ый элемент определяет порядковый номер разработки в серии. Для ИС широкого применения перед обозначением ставится буква К. В обозначении ИС, отличающихся только конструктивным исполнением, перед номером серии добавляются буквы, определяющие конструктивное исполнение корпуса: Р - пластмассовый; М - керамический; Е - металлический; А - планарный; И - стеклокерамический. Например: КР 155 ЛА2 - широкого применения, в пластмассовом корпусе по полупроводниковой технологии, 8 ЛЭ "И-НЕ" 155 серии.

 Система элементов (СЭ) ЭВМ Система элементов ЭВМ, набор логических элементов, позволяющий реализовать любую функционально-логическую схему ЭВМ. Минимальный (по числу типов элементов) функционально полный (с точки зрения выполнения логических операций) набор состоит из элементов типа «и — не» либо «или — не». Все элементы одной системы выполняются совместимыми по уровням сигналов, временным характеристикам, требованиям к источникам питания. ЭВМ может быть построена на нескольких СЭ в соответствии с требованиями, предъявляемыми к быстродействию на каждом из уровней функциональной схемы машины. В этом случае в СЭ вводятся также специальные согласующие элементы.

 Основные требования к системам элементов Функциональная полнота – свойство системы элементов реализовать любую, сколь угодно сложную ФАЛ; реализуется функционально полным набором логических элементов. Техническая полнота - свойство системы элементов реализовать помимо логических другие функции, в том числе вспомогательные и специальные. К этим функциям относятся преобразование уровней сигналов, обеспечение нагрузочной способности, восстановление сигналов по форме и амплитуде, генерация сигналов, индикация состояния запоминающих элементов, формирование сигналов записи и считывания информации запоминающих устройств.

Основные требования к системам элементов Совместимость входных и выходных сигналов означает, что электрические параметры входных и выходных сигналов должны быть выбраны так, чтобы обеспечить непосредственное соединение выхода одного элемента со входами других элементов. Для нормального совместного функционирования элементов уровни входных и выходных напряжений логических сигналов должны лежать в зоне отображения 0 и 1. Принцип совместимости входных и выходных сигналов должен выполняться при воздействии на элемент допустимых нагрузок и дестабилизирующих факторов (изменение напряжений питания, температуры окружающей среды, наличие помех, старение электрорадиоэлементов и др.).

 Статические и динамические параметры и характеристики элементов ЭВМ Свойства ИМС определяет ряд параметров (характеристик), знание, которых необходимо для правильной эксплуатации и проектирования цифровых устройств. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИМС. 1 .Входные и выходные НАПРЯЖЕНИЯ высокого и низкого уровней: Для ТТЛ VIH  2,0 В, VOH  2,4 В, VIL  0,8 В, VOL  0,4 В ,

 Статические и динамические параметры и характеристики элементов ЭВМ 2. Входные и выходные ТОКИ высокого и низкого уровней: Для ТТЛ IIH  0,04 мА, IOH  0,4 мА IIL  1,6 мА, IOL  16 мА 3.МОЩНОСТЬ, потребляемая от источника питания РСС. Статическая мощность потребляется ЛЭ (ИМС), который не переключается, т.е. находится в 1/0 состоянии, поэтому в качестве основного параметра приводят среднюю потребляемую мощность: Pcc=(P0+P1)/2 4.ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ или допустимые напряжения помех - V. Это такая величина помехи, которая не может привести к изменению состояния ЛЭ (ИМС): Для ТТЛ VH = VOH - VIH = 2,4 B - 2,0 B = 0,4 B;  VL = VOL - VIL = 0,8 B - 0,4 B = 0,4 B. 5.НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ - n. Это максимальное число входов ЛЭ, которое допустимо подключать к выходу аналогичного ЛЭ. Определяется током, который может быть отдан логическим элементом во внешние цепи (нагрузку) или принят от нее. Для ТТЛ n = IOH / IIH = IOL / IIL = 0,4/0,04 мА = 16/1,6 мА =10 ЛЭ. При помощи спец. ИМС - расширителей, возможно увеличение числа n, однако большое число входов снижает помехоустойчивость и уменьшает быстродействие.

 Статические и динамические параметры и характеристики элементов ЭВМ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 6.БЫСТРОДЕЙСТВИЕ. Для триггеров оно оценивается максимальной тактовой ЧАСТОТОЙ переключения - Fmax, для ЛЭ - СРЕДНИМ ВРЕМЕНЕМ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛОВ - tp, оно определяется как среднее время перехода логических элементов из состояния "0" в состояние "1" и обратно: tp=(tpHL + tpLH)/2. По этому признаку ИС условно подразделяют на: сверхскоростны tр < 3нс скоростные 3 < tр < 10нс; среднескоростные 10 < tр < 50нс; медленнодействующие tр >50нс.