Схемотехника компьютеров и компьютерных систем

Лекция 1. Определение схемотехники, цель и задачи дисциплины в системе подготовки бакалавров. Краткая история развития схемотехники компьютеров и компьютерных систем

1. Современные компьютеры и компьютерные системы строятся на типовых электронных схемах, изучение которых предусматривается в дисциплине «Схемотехника» .

Задачей курса «Схемотехника» является изучение схемотехнической базы современных компьютеров, компьютерных систем и сетей.

В результате изучения студенты должны:

· знать номенклатуру, характеристики и функциональное назначение интегральных схем, составляющих основу элементной базы современных компьютерных систем и сетей.

· уметь проектировать на основе ИС комбинационные и последовательностные схемы.

· овладеть основными методами проектирования устройств на основе больших интегральных схем.

· иметь навыки измерения параметров, наладки и испытания устройств на основе ИС.

Как известно, любая вычислительная система, и в том числе и компьютер, состоит из устройств, которые предназначены для приема, временного хранения, обработки и выдачи информации.

В число основных устройств компьютера входят: процессор, память, устройства ввода-вывода.

В свою очередь устройства строятся на основе типовых узлов (регистров, счетчиков, дешифраторов и т. п.), а те состоят из элементов (логических, триггеров и т. п.). Элементы составляют элементную базу компьютера и состоят из электрорадиокомпонентов (резистор, конденсатор, диод, транзистор и т. п.).

2. В зависимости от применяемых компонентов элементной базы можно выделить, по аналогии с поколениями компьютеров, четыре основных поколения развития компьютерной схемотехники:

Первое поколение (1904 -1950гг.) характеризуется тем, что основу элементной базы компьютерной схемотехники составляли электровакуумные и газоразрядные приборы. К ним относятся электронные лампы, электронно-вакуумные трубки, газоразрядные индикаторы и др.

Второе поколение (1950 — начало 60-х гг.) характеризуется применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т. д.)

Третье поколение (1960;1980гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники и с созданием интегральных схем различной степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе компьютерные схемотехнические устройства характеризуются резким увеличением надежности, уменьшением габаритов, массы, энергопотребления.

Четвертое поколение (с 1980 гг. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией схемотехнической базы компьютеров с использованием больших и сверхбольших интегральных схем.

Связь между основными компонентами элементной базы, их параметрами и поколениями компьютеров можно проследить по нижеприведенной таблицы.

По способу формирования и передачи сигналов компьютерные элементы подразделяется на два класса: аналоговые и дискретные.

схемотехника цифровой компьютерный кодирование

Аналоговые элементы предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговая схемотехника отличается простотой, быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например температуры, влажности, времени и т. д.

К аналоговым элементам относятся операционные усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряжения и т. д.

Дискретные элементы предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, представленных в дискретной форме. Такие элементы отличаются высокой помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью.

В свою очередь дискретные элементы подразделяются на импульсные и цифровые.

Импульсные элементы формируют импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции.

К импульсным элементам относятся: мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т. д.

В цифровых элементах происходит кодирование сигнала, т. е. преобразование его в определенную последовательность однотипных импульсов.

Цифровые элементы в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности.

К цифровым элементам относятся логические элементы и триггеры. На базе этих элементов формируются «базовые» узлы компьютера. Название «базовые» означает, что данные узлы встречаются во всех устройствах компьютера. К ним относятся регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры и т. п.

В ряде компьютерных устройств присутствует как аналоговая так и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным устройствам. К комбинированным устройствам относятся: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи информации.

4. Физическими аналогами знаков 0 и 1 двоичного алфавита служат сигналы, способные принимать два хорошо различимых значения, например напряжение (потенциал) высокого и низкого уровня, отсутствие или наличие электрического импульса, противоположные по знаку значения напряженности магнитного поля и т. п.

В схемах цифровых устройств переменные и соответствующие им сигналы изменяются в дискретные моменты времени.

Временной интервал между двумя соседними моментами дискретного времени называется тактом или периодом представления информации, а сами дискретные моменты времени часто называют тактовыми моментами. Дискретное время можно представить совокупностью пронумерованных точек на оси времени, соответствующих последовательным тактовым моментам.

Временные интервалы между тактовыми моментами могут быть произвольными. Иначе говоря, значения переменных и соответствующих сигналов в схеме в i-й тактовый момент зависят не от текущего времени t_i а только от номера i-гo тактового момента.

Во многих случаях цифровые устройства содержат специальный блок, вырабатывающий синхронизирующие сигналы (СС), отмечающие моменты дискретного времени.

В цифровых вычислительных устройствах обычно применяют потенциальный и импульсный способы физического представления информации.

При потенциальном способе (рис. 1.2, а) значениям переменной 1 и 0 соответствуют разные уровни напряжения в соответствующей точке схемы машины (потенциальный код).

При импульсном способе представления информации (рис. 1.2, б) единичное и нулевое значения двоичной переменной изображаются наличием или отсутствием электрического импульса в соответствующей точке схемы (импульсный код).

Импульсный сигнал можно охарактеризовать амплитудой U_m, продолжительностью импульса по основанию t_осн (рис. 1.2, б). Фронтом и спадом называются соответственно время нарастания импульса t_фр и время спада t_cn.

Аналогичные понятия могут быть применены к потенциальному сигналу (рис. 1.2, а). Потенциальный сигнал характеризуется кроме того, разностью U_с верхнего и нижнего уровня напряжения. Понятия фронта и спада у потенциального сигнала всегда связаны с процессом перехода соответственно от нижнего к верхнему и от верхнего к нижнему уровню напряжений.

В соответствии с типом используемых сигналов для представления информации схемы цифровых устройств принято делить на импульсные, потенциальные и импульсно-потенциальные. В первых используются только импульсные сигналы, во вторых — только потенциальные, а в третьих — и те и другие.

Слово может быть представлено последовательным или параллельным способом (последовательным или параллельным кодом).

При последовательном способе представления информации каждый временной такт предназначен для отображения одного разряда кода слова (рис. 1.3). В этом случае все разряды слова фиксируются по очереди одним и тем же элементом и проходят через один канал передачи информации.

Рис. 1.3. Последовательный импульсный код (а), последовательный потенциальный код (б).

При параллельном способе все разряды кода слова представляются в одном временном такте, фиксируются отдельными элементами и проходят через отдельные каналы, каждый из которых служит для представления и передачи только одного разряда слова (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Параллельный импульсный код (а), параллельный потенциальный код (б).

В зависимости от применяемого кода устройства вычислительной техники называются последовательными или параллельными. При использовании последовательного кода все операции, в том числе передача слов из одного узла в другой, производятся поочередно для каждого разряда слова, и поэтому последовательные устройства работают медленнее, чем параллельные. В современных компьютерах основные устройства, участвующие в обработке информации, для достижения высокого быстродействия строятся как параллельные, хотя они и требуют большего объема аппаратуры, так как при параллельном коде надо иметь столько цепей передачи сигналов, запоминающих и преобразующих элементов, сколько разрядов содержат слова, с которыми оперирует устройство. Поэтому для экономии оборудования в некоторых устройствах применяют последовательно-параллельный код, при котором слова разбиваются на части (слоги) и передача, а иногда и обработка производятся последовательно слог за слогом. При этом каждый слог представляется параллельным кодом.