ЭВМ лекции

указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие компьютера, поскольку каждая операция требует для своего выполнения определенного количества тактов.

Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем больше будет производительность компьютера.

Различные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в мегабайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью меньше 16Мбайт просто не работают или работают очень медленно. Увеличение емкости

оперативной памяти увеличивает производительность компьютера при решении сложных задач.

Емкость накопителя на жестких магнитных дисках обычно измеряется в гигабайтах. Объем дискового пространства менее 10Гбайт сегодня уже неприемлем.

Накопители на гибких магнитных дисках, устанавливаемые на современные компьютеры (хотя используются компьютеры и без таких накопителей), имеют форм-фактор 3,5 дюйма и стандартную емкость 1,44Мбайт. Накопители 5,25 дюйма емкостью 1,2Мбайт в современных компьютерах уже не устанавливаются.

КЭШ-память – это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ- память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ- память второго уровня).

21

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров

означает возможность использования на компьютере тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера.

Надежность– это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции.

6. Интегральные микросхемы

Вычислительная машина (компьютер) представляет собой совокупность операционных узлов.

Под операционными узлами понимаются устройства, в которых обрабатывается и хранится информация. Используя набор этих устройств, можно производить обработку поступающей информации. Результатом ее обработки является определенная выходная информация.

Физически все операционные узлы ЭВМ реализуются на базе микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был владельцем собственной компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor Corporation. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и ученые решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того

22

как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность. Первая российская (советская) полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС), чип, микрочип (англ. chip — щепка,

обломок, фишка) — это электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещенная в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают

собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. Выражение «чип компоненты» означает

«компоненты для поверхностного монтажа» (SMD, Surface Mount Device) в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате (Throughhole). Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящее время большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Классификация интегральных микросхем:

По уровню проектирования

−физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде отдельных зон на кристалле;

−электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.);

23

−логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ- НЕ, И-НЕ и т. п.);

−схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.);

−топологический — топологические фотошаблоны для производства;

−программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

Внастоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

По степени интеграции микросхем:

МИС — малая интегральная схема (до 100 элементов в кристалле); СИС — средняя интегральная схема (до 1 000); БИС — большая интегральная схема (до 10 000);

СБИС — сверхбольшая интегральная схема (до 1 миллиона); ГБИС — гигабольшая интегральная схема (более 1 миллиарда).

Внастоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

По виду обрабатываемого сигнала различают

−Аналоговые

−Цифровые

−Аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по

закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определенный диапазон напряжения.

24

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают все большее распространение.

По типу логики Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы

(биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки.

ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем

25

является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. Недостатком ТТЛ-микросхем является меньшая четкость в интерпретации логических сигналов по сравнению с КМОП. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии. Типичные кодировки ТТЛ интегральных схем начинаются с цифро-буквенной комбинации 74LS (серии

K155, K555, K1533), а КМОП-микросхем – с числа 40 (серии К176, К561).

В таблице 1 указаны уровни напряжений питания и логических состояний этих интегральных схем.

		Таблица 1
	ТТЛ	КМОП
Напряжение питания	Vcc=5В	Vdd=5…15В
Диапазон напряжений логического нуля	0…0,4B	0…Vdd/2
Диапазон напряжений логической единицы	2,4…5B	Vdd/2…Vdd

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Любая интегральная микросхема имеет выводы (pin) для подключения к внешним компонентам принципиальной схемы. Различают информационные выводы, служащие для передачи сигналов, и выводы питания, обеспечивающие работу интегральной схемы. В зарубежной терминологии выводы питания чаще

всего обозначают

Vcc, Vdd – +UПИТ;

GND, Vss – -UПИТ, земля или общий провод.

Каждый вывод микросхемы имеет свой уникальный порядковый номер. При

использовании корпуса микросхемы первый вывод имеет особую маркировку

26

(точка, углубление в корпусе). Нумерация выводов ведется в соответствии с расположением в корпусе микросхемы против часовой стрелки, начиная с первого вывода (если смотреть на микросхему со стороны маркировки).

Указание назначения выводов микросхемы в соответствии с их порядковым номером называется цоколевкой микросхемы. Цоколевка микросхемы обязательно приводится в паспорте или инструкции на микросхему.

На корпусе микросхемы также имеется ее маркировка. В общем случае

маркировка микросхемы представляет собой набор букв и цифр и имеет в своей основе один шаблон, принятый в европейских и американских фирмах. Его мы разберем на примере микросхемы AT28C256-15PI производства фирмы Atmel, который является типичным примером маркировки микросхем.

AT	2 8	С	256	A	-	15	P	I
1	2	3	4	5		6	7	8

Наименование можно условно разделить на девять частей, в которых зашифрованы основные данные о микросхеме.

1. Фирма производитель. Чаще всего здесь стоит две или три буквы, которые обозначают фирму производитель данного компонента, например:

AD - Analog Devices DS - Dallas, National AM - AMD MC - Motorola

AT - Atmel

2.Тип памяти для микропроцессоров или номер серии для логических элементов.

3.Технология производства, например

- - NMOS

С - CMOS, низкопотребляющая технология HС - High CMOS, высокоскоростной CMOS

F - Flash, больше относится к технологии памяти

LV - Low Voltage, микросхемы с питанием от 3,3 вольт 4. Конкретный тип

27

Данная цифра показывает конкретный тип микросхем. Для памяти указывается объем в килобитах, но также можно оценить разрядность для микросхем памяти, если цифра 080 то это 8 Мбит с организацией скорее всего 1Мбит на восемь разрядов, если цифра 008 то это тоже 8Мбит, но с организацией 512 Кбит на 16 разрядов.

5. Особенности компонента Это поле является не обязательным и может отсутствовать. В данном поле

стоит буквенное обозначение, которое указывает на отличительные особенности данной конкретной модели компонента: такие как потребление, быстродействие или дополнительные потребительские функции.

6. Быстродействие Быстродействие указывается двумя или тремя цифрами. Для процессоров и

микроконтроллеров указывается в мегагерцах, для памяти и PLD в наносекундах. Для старых моделей может указываться индекс быстродействия, который соотносится с реальным, исходя из конкретных описаний компонента.

7. Тип корпуса

Корпус

Тип

обозначение

DIP

P

SOP

SO, SS

QFP

PT

PLCC

8. Диапазон рабочих температур В данной позиции стоит одна буква, указывающая рабочий диапазон данной

микросхемы.

- или C - Коммерческий диапазон температур (0 ... +70 С)

28

I - Индустриальный диапазон температур (-40 ... +85 С)

A - Автомобильный диапазон температур (-40 ... +125 С) M - Военный диапазон температур (-55 ... +125 С)

Но существуют исключения. Например фирма Philips и Intel - эти фирмы маркируют диапазон температур в начале названия микросхемы.

При использовании микросхем на принципиальных схемах в теле элемента указываются имена выводов микросхемы, а снаружи над выводами указываются их номера (может дополнительно указываться имя сигнала, подключенного к выводу). Обозначение цифровых микросхем на принципиальных схемах – DDx, где x – порядковый номер микросхемы на принципиальной схеме.

В некоторых случаях (в частности, при

использовании логических элементов) в одном корпусе

микросхемы объединяются несколько однотипных или разнотипных независимых операционных узлов.

Например, корпус микросхемы К561ЛА7 (4011) содержит 4 элемента И-НЕ. Обозначение номера элемента в корпусе микросхемы кодируется числом через дефис. Например,

29

7. Элементарные операционные узлы ЭВМ

Элементарные логические элементы (узлы) ЭВМ предназначены для выполнения различных логических (функциональных) операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления.

Преимущественное распространение получили логические элементы потенциального типа. В них используются дискретные сигналы, нулевому значению которых соответствует уровень низкого потенциала, а единичному значению – уровень высокого потенциала.

Построение вычислительных машин основано на использовании комбинаций логических функций.

Логическая (булева) переменная – такая величина x, которая может принимать только два значения : x = {0,1}.

Логическая функция (функция алгебры логики – ФАЛ) – функция многих аргументов f(xn–1, xn–2,, ..., x0), принимающая значения равные нулю или единице на всех наборах логических переменных xn–1, xn–2,, ..., x0.

Основными логическими элементами являются И, ИЛИ, НЕ, а также их производные И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ.

30