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.