Введение в архитектуру компьютера

1. Введение в архитектуру компьютера

Цель занятия: Изучить этапы развития вычислительной
техники, логические основы обработки данных,
начальные этапы развития вычислительной техники.
Ознакомиться с архитектурой фон Неймана и Гарварда,
понятием такта, вентилями и комбинированными
схемами.

2.

План:
1 Этапы развития вычислительной техники.
2 Понятие архитектуры компьютера.
3 Логические основы обработки данных.
4 Начальные этапы развития: механический этап,
машины Чарльза Бэббиджа, электромеханический
этап, начало электронного этапа.
5 Архитектура фон Неймана и Гарварда.
6 Понятие такта.
7 Вентили и комбинированные схемы.
8 Схема памяти на базовых вентилях.
9 Интегральные схемы.

3. Этапы развития вычислительной техники.

Знание истории развития вычислительной техники (ВТ), является
неотъемлемым компонентом профессиональной компетентности
будущего специалиста в области информационных технологий. Первые
шаги автоматизации умственного труда относятся именно
к вычислительной активности человека, который уже на самых ранних
этапах своей цивилизации начал использовать средства
инструментального счета. Интересной является следующая
классификация, согласно которой основные этапы развития ВТ можно
привязать к следующей хронологической шкале:
- Ручной - с древних, древних времен до н.э.
- Механический - с середины XVII-го века н.э.
- Электро-механический - с 90-х годов XIX-го века.
- Электронный - с 40-х годов XX-го века.

4.

При этом следует иметь в виду, что хорошо
зарекомендовавшие себя средства всех четырех этапов
развития ВТ используются человеком и в настоящее время для
автоматизации различного рода вычислений.
Именно поэтому и необходимо знать историю развития
вычислительной техники и информационных технологий.
Ручной период автоматизации вычислений начался на заре
человеческой цивилизации и базировался на использовании
частей тела, в первую очередь пальцев рук и ног. Даже ряд
известных средневековых математиков рекомендовали в
качестве вспомогательного средства именно пальцевый счет,
допускающий довольно эффективные системы счета
Фиксация результатов счета производилась различными
способами: нанесение насечек счетные палочки, узелки и др.

5.

Например, у народов доколумбовой Америки
был весьма развит узелковый счет. Более того,
система узелков выполняла также роль своего
рода хроник и летописей, имея достаточно
сложную структуру. Однако, использование ее
требовало хорошей тренировки памяти. Счет с
помощью группировки и перекладывания
предметов явился предшественником счета на
абаке - наиболее развитом счетном приборе
древности, сохранившимся до наших дней в
виде различного типа счетов.

6.

Абак явился первым развитым счетным
прибором в истории человечества,
основным отличием которого от
предыдущих способов вычислений было
выполнение вычислений по разрядам.
Таким образом, использование абака уже
предполагает наличие некоторой
позиционной системы счисления,
например, десятичной, троичной,
пятеричной и др.

7.

Хорошо приспособленный к выполнению
операций сложения и вычитания, абак оказался
недостаточно эффективным прибором для
выполнения, операций умножения и деления.
Поэтому открытие логарифмов и
логарифмических таблиц Дж. Непером, в
начале XVII в., позволивших заменять
умножение и деление соответственно
сложением и вычитанием, явилось следующим
крупным шагом в развитии вычислительных
систем ручного этапа. Впоследствии
появляется целый ряд модификаций
логарифмических таблиц.

8.

Однако, в практической работе использование
логарифмических таблиц имеет ряд неудобств,
поэтому Дж.Непер в качестве альтернативного
метода предложил специальные счетные палочки
(названные впоследствии палочками Непера),
позволявшие производить операции умножения и
деления непосредственно над исходными
числами.
Логарифмы послужили основой создания
замечательного вычислительного инструмента логарифмической линейки, более 360 лет
служащего инженерно-техническим работникам
всего мира.

9. Понятие архитектуры компьютера.

Большое разнообразие структур ВС затрудняет их изучение.
Поэтому вычислительные системы классифицируют с учетом
их обобщенных характеристик. С этой целью вводится
понятие «архитектура системы».
Архитектура ВС — совокупность характеристик и параметров,
определяющих функционально-логическую и структурную
организацию системы. Понятие архитектуры охватывает
общие принципы построения и функционирования, наиболее
существенные для пользователей, которых больше
интересуют возможности систем, а не детали их
технического исполнения. Поскольку ВС появились как
параллельные системы, то и рассмотрим классификацию
архитектур под этой точкой зрения.

10.

Эта классификация архитектур была предложена М. Флинном
(М. Flynn) в начале 60-х гг. В ее основу заложено два
возможных вида параллелизма: независимость потоков
заданий (команд), существующих в системе, и независимость
(несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.
Классификация до настоящего времени еще не потеряла
своего значения. Однако, как и любая классификация, она
носит временный и условный характер. Своим долголетием
она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в
которых ЭВМ и процессоры реализуют программные
последовательные методы вычислений. С появлением систем,
ориентированных на потоки данных и использование
ассоциативной обработки, данная классификация может быть
некорректной.

11. Логические основы обработки данных.

Электронные вычислительные машины выполняют арифметические и
логические операции, при этом используется два класса
переменных: числа и логические переменные.
Числа несут информацию о количественных характеристиках
системы; над ними производятся арифметические
действия. Логические переменные определяют состояние системы
или принадлежность её к определённому классу состояний (таких
как коммутация каналов, управление работой ЭВМ по программе и
т.п.).
Логические переменные могут принимать только два
значения: истина и ложь.
В устройствах цифровой обработки информации этим двум
значениям переменных ставится в соответствие два уровня
напряжения: высокий- (логическая «1») и низкий-(логический «0»).

12.

Однако, в эти значения не вкладывается смысл
количества. Элементы, осуществляющие простейшие
операции над такими двоичными сигналами, называют
логическими. На основе логических элементов
разрабатываются устройства, выполняющие и
арифметические, и логические операции.
В настоящее время логические элементы (ЛЭ)
выполняются с помощью различных технологий,
которые определяют численные значения основных
параметров логических элементов (ЛЭ) и, как
следствие, качественные показатели цифровых
устройств обработки информации, разработанных на
их основе.

13.

Арифметико-логические основы ЭВМ
В настоящее время в обыденной жизни для кодирования числовой
информации используется десятичная система счисления с
основанием 10, в которой используется 10 элементов обозначения:
числа от 0, … до 9.
В первом (т.е. младшем) разряде указывается число единиц, во
втором — число десятков, в третьем — сотен и т.д.; иными словами,
в каждом следующем разряде вес разрядного коэффициента
увеличивается в 10 раз.
В цифровых устройствах обработки информации используется
двоичная система счисления с основанием 2, в которой используется
два элемента обозначения: 0 и 1. Веса разрядов слева направо от
младших разрядов к
старшим увеличиваются в 2 раза,
то есть в общем виде эта
последовательность имеет
следующий вид:
…252423222120,2-12-22-3…
Двоичная система счисления

14.

Такое правило используется для перевода двоичного числа в
десятичное. Например, двоичное число 101011 эквивалентно
десятичному числу 43: 25·1+24·0+23·1+22·0+21·1+20·1=43
Общая запись числа в системе с равномерно распределенными
весами имеет следующий вид:
А значение такого числа определяется по следующему формульному
выражению:
где
Аi – цифра записи числа, удовлетворяющая условию:
0 < = Ai < = (q – 1);
q – это основание системы счисления.
Запись числа N в виде первого формульного представления (1) называется кодированной записью, а запись во второй форме
представления (2) - называется расширенной записью.

15.

Для обозначения цифр в различных системах
счисления в качестве цифр используются
обозначения соответствующих цифр
десятичной системы счисления – 0, 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8, 9, а в случае, когда десятичных цифр
«не хватает» (для систем счисления с
основанием q, большим чем 10), для цифр,
превышающих 9, вводятся дополнительные
обозначения, например, для q = 16 это будут
обозначения А, В, С, D, Е, F, которые
соответствуют шестнадцатеричным цифрам,
десятичные эквиваленты которых равны,
соответственно, 10, 11, 12, 13, 14, 15.

16.

Различные логические переменные могут быть
связаны функциональными зависимостями.
Функциональные зависимости между логическими
переменными могут быть описаны логическими
формулами или таблицами истинности.
Таблицы
истинности

17.

В общем виде логическая формула функции двух переменных
записывается в виде функционала: Y = f (X1, X2), где X1, X2
- это входные переменные.
В таблице истинности отображаются все возможные
сочетания (т.е. комбинации) входных переменных и
соответствующие им значения функции Y, получающиеся в
результате выполнения какой-либо логической операции.
При одной переменной полный набор состоит из нескольких
функций, которые приведены на рисунке:

18.

Инверсия (иначе - отрицание) является одной из основных
логических функций, используемых в устройствах цифровой
обработки информации.
Основными логическими функциями двух переменных,
используемыми в устройствах цифровой обработки
информации являются: дизъюнкция (т.е. логическое
сложение) и конъюнкция (т.е. логическое умножение).
Операция инверсии можно выполнить чисто
арифметически:
и алгебраически:
Из этих выражений следует, что инверсия Х, т.е. Х с чертой ( )
дополняет Х до 1. Отсюда и возникло ещё одно название
этой операции, это - дополнение. Отсюда же можно сделать
вывод, что двойная инверсия приводит к исходному
аргументу и это называется законом двойного отрицания.

19.

Законы и тождества алгебры логики
Математический аппарат алгебры логики позволяет
преобразовать логическое выражение, заменив его
равносильным с целью упрощения, сокращения числа
элементов или замены элементной базы.
Формульная запись существующих законов алгебры логики:
1. Переместительный Закон: X ∨ Y = Y ∨ X; X · Y = Y · X.
2. Cочетательный Закон:
X ∨ Y ∨ Z = (X ∨ Y) ∨ Z = X ∨ (Y ∨ Z); X · Y · Z = (X · Y) · Z = X·
(Y· Z).
3. Закон Идемпотентности: X ∨ X = X; X · X = X.
4. Распределительный Закон: (X ∨ Y)· Z = X· Z ∨ Y· Z.
5. Закон Двойного отрицания: .
6. Закон двойственности или звучит как Правило де Моргана:

20.

Для преобразования структурных формул применяется ряд тожд
еств:
1. Правила поглощения: X ∨ X · Y = X; X(X ∨ Y) = X
2. Правила склеивания: X· Y ∨ X· = X, (X ∨ Y)·(X ∨ ) = X
Различают следующие
Правила старшинства логических операций:
1. Логическим действием первой ступени является - Отрицание.
2. Логическим действием второй ступени является Конъюнкция.
3. Логическим действием третьей ступени является Дизъюнкция.
Если в логическом выражении встречаются действия различных
ступеней, то сначала выполняются первой ступени, затем второй
и только после этого третьей ступени. Всякое отклонение от
этого порядка должно быть обозначено скобками.

21. Начальные этапы развития: механический этап, машины Чарльза Бэббиджа, электромеханический этап, начало электронного этапа.

Механический этап развития вычислительной техники.
Развитие механики в 17 в. стало предпосылкой создания
вычислительных устройств и приборов, использующих
механический принцип вычислений. Такие устройства
строились на механических элементах и обеспечивали
автоматический перенос старшего разряда. Первая
механическая машина была описана в 1623 г. В. Шиккардом,
реализована в единственном экземпляре и предназначалась
для выполнения четырех арифметических операций над 6разрядными числами Машина Шиккарда состояла из трех
независимых устройств: суммирующего, множительного и
записи чисел Сложение производилось последовательным
вводом слагаемых посредством наборных дисков, а
вычитание - последовательным вводом уменьшаемого и
вычитаемого.

22.

Вводимые числа и результат сложения / вычитания отображались в
окошках считывания. Для выполнения операции умножения
использовалась идея умножения решеткой, рассмотренная выше.
Третья часть машины использовалась для записи числа длиною более
6 разрядов.
В машине Б. Паскаля использовалась более сложная схема переноса
старших разрядов, в дальнейшем редко используемая; но
построенная в 1642г. первая действующая модель машины, а затем
серия из 50 машин способствовали достаточно широкой известности
изобретения и формированию общественного мнения о возможности
автоматизации умственного труда. До нашего времени дошло
только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной.
Именно машина Паскаля положила начало механического этапа
развития вычислительной техники. В 17-18 веках предлагался целый
ряд различного типа и конструкции суммирующих устройств и
арифмометров, пока в 19 в; растущий объем вычислительных работ
не определил устойчивого спроса на механические счетные
устройства и не способствовал их серийному производству на
коммерческой основе.

23.

В начале 1836 г. Бэбидж уже четко представлял себе
основную конструкцию машины, а в 1837 г. он достаточно
подробно описывает свой проект. Аналитическая машина
состояла из следующих четырех основных частей: (1) блок
хранения исходных, промежуточных данных и
результатов вычислений. Он состоял из набора зубчатых
колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру.
Колеса объединялись в регистры для хранения
многоразрядных десятичных чисел. Этот блок Бэбидж
называл складом [в современной терминологии - это
оперативная память ЭВМ] и определял его емкость в 1000
50-разрядных десятичных чисел; (2) блок обработки чисел
из склада, названный мельницей [в современной
терминологии - это арифметическое устройство (АУ)].

24.

Быстродействие данного блока Бэбидж оценивал как;
сложение/вычитание - 1 с.; умножение (двух 50-разрядных чисел) и
деление (100-разредное число на 50-разрядное) - 1 мин.; организация
блока была аналогична первому блоку; (3) блок управления
последовательностью вычислений [в современной терминологии - это
устройство управления (УУ)]; проектировалось на основе двух:
жаккардовых механизмов» описанных ниже; (4) блок ввода исходных
данных и печати результатов (в современной терминологии - это
устройство ввода/вывода (УВВ)].
Для функционирования аналитической машины была необходима
программа, первый пример которой был написан Адой Лавлейс (1843 г.).
В 1842г. на итальянском языке была опубликована статья Л.Ф. Менабреа
по аналитической машине Бэбиджа, переводом которой на английский
язык и занялась А. Лавлейс. В августе 1843 г. вышел перевод статьи
Менебреа, но с примечаниями переводчика, которые не только в 2.5 раза
превзошли по объему оригинал, но и, по сути дела, заложили основы
программирования на ЭВМ за столетие до начала действительного
развитая этого базового раздела информатики.

25.

Электромеханический этап развития вычислительной техники
Электромеханический этап развития вычислительной техники явился
наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет - от
первого табулятора Г. Холлерита (1887 г ) до первой ЭВМ ENIAC
(1945 г.) Предпосылками создания проектов данного этапа явились
как необходимость проведения массовых расчетов (экономика,
статистика, управление и планирование, и др.), так и развитие
прикладной электротехники (электропривод и электромеханические
реле),позволившие создавать электромеханические вычислительные
устройства. Если вернуться к предыдущим этапам развития
вычислительной техники, то можно заметить, что каждый этап
характеризуется созданием технических средств нового типа
обладающих более высокой производительностью и более широкой
сферой применения, чем предыдущие этапы. Классическим типом
средств электромеханического этапа был счетно-аналитический
комплекс, предназначенный для обработки информации на
перфокарточных носителях.

26.

Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г.
Холлеритом в 1887 г и состоял из ручного перфоратора сортировочной
машины и табулятора Используя идеи Жаккарда и Бэбиджа (или
переоткрыв их заново), Г. Холлерит в качестве информационного
носителя использовал перфокарты (хотя им рассматривался и перфоленточный вариант), все остальные компоненты комплекса носили
оригинальный характер. Основным назначением комплекса являлась
статистическая обработка перфокарт В первых моделях комплекса
использовалась ручная сортировка перфокарт (в 1890 г. замененная
электрической), а табулятор был создан на основе простейших
электромеханических реле Первое испытание комплекса было
произведено в 1887 г. в Балтиморе (США) при составлении таблиц
смертности населения, основные же испытания уже модифицированного
комплекса производились в 1889 г. на примере обработки итогов
переписи населения в четырех районах Сент-Луиса (США) Основные
испытание прошли весьма успешно, и табулятор Холлерита очень быстро
получил международное признание, используясь для переписей
населения в России (1897 г.), США и Австро-Венгрии (1890), и Канаде
(1891 г.)

27. Архитектура фон Неймана и Гарварда.

Одна из первых ЭМВ была разработана в университете Гарварда
(США). Принцип построения (или, как принято говорить,
«архитектура»), одной из первых ЭВМ, позднее (с
несущественными с точки зрения принципов функционирования
отличиями) был повторён и в последующих ЭВМ. Да и
современные ЭВМ, в случае если говорить о «принципах работы»
- очень мало отличаются от классических ЭВМ, как говорят «ЭВМ
архитектуры Гарварда». На рисунке представлены основные
узлы ЭВМ «Архитектуры Гарварда»:

28.

ЦП – центральный процессор
A0, An – адреса ячеек
УУ – устройство управления
ШВВ – шина ввода вывода
АЛУ – арифметически логическое устройство
КВУ1 – КВУ2 – контроллеры внешних устройств
УР – универсальные регистры
ВР – внешние регистры
СР – специальные регистры
U1, Uz – интерфейсные разъемы
ТГ – тактовый генератор
ВУ1 – ВУz – внешние устройства
ОЗУД – оперативное запоминающее устройство данных
КП – контроллер прерываний
ОЗУК – оперативное запоминающее устройство данных
INT1, INTz – линии прерываний
ШД – шина данных
INT – генеральная линия запроса прерывания
ШК – шина команд
INTA – генеральная линия ответа на прерывание
ЭЯ – элементарная ячейка (бит)

29.

Достоинства архитектуры Гарварда:
1. большое быстродействие, т.к. данные и команды могут по
различным шинам передаваться в процессор одновременно.
2. Архитектура Гарварда применяется в старших классах ЭВМ, а
Неймана – в младших классах (например - ПЭВМ).
Основным принципом построения всех современных ЭВМ
является
программное
управление.
В
основе
его
лежит
представление алгоритма решения любой задачи в виде программы
вычислений.
Согласно стандарта ISO «Алгоритм — это конечный набор
предписаний,
определяющий
решение
задачи
посредством
конечного количества операций», а «Программа для ЭВМ — это
упорядоченная
последовательность
команд,
подлежащая
обработке».
Следует заметить, что строгого, однозначного определения
алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в
программу вычислений, не существует.

30.

Принцип программного управления может быть осуществлен различными
способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ,
описанный Джоном фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых
образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем:
Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть
представлены в виде программы, состоящей из последовательности
управляющих слов — т.е. посредством команд. Каждая команда содержит
указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (т.е.
адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды — это переменные,
значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список или
массив всех переменных, таких как входных данных, промежуточных значений
и результатов вычислений является еще одним неотъемлемым элементом любой
программы,
Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично
вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых
человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная
схема ЭВМ первых двух поколений представлена на рисунке.

31.

В любой ЭВМ имеются устройства
ввода информации (УВв), с помощью
которых пользователи вводят в ЭВМ
программы решаемых задач и данные
к ним. Сначала введенная информация
полностью или частично запоминается
в оперативном запоминающем
устройстве (ОЗУ), а затем переносится
во внешнее запоминающее устройство
(ВЗУ), предназначенное для
длительного хранения информации,
где преобразуется в специальный
программный объект — файл. Файл —
это имеющий имя информационный
массив (программа, данные, текст и
т.п.), размещаемый во внешней памяти
и рассматриваемый как неделимый
объект при пересылках и обработке.
УВв - устройства ввода информации;
УВыв - устройства вывода информации;
ОЗУ - оперативное запоминающее
устройство;
ВЗУ - внешнее запоминающее устройство;
УУ - устройство управления;
АЛУ - арифметико-логическое
устройство;
Рисунок 1.5. Структурная схема ЭВМ
первого и второго поколений

32.

При использовании файла в вычислительном процессе
его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная
информация команда за командой считывается в
устройство управления.
Устройство управления (УУ) предназначается для
автоматического
выполнения
программ
путем
принудительной координации работы всех остальных
устройств
ЭВМ.
Вызываемые
из
ОЗУ
команды
дешифрируются устройством управления: определяются
код
операции,
которую
необходимо
выполнить
следующей, и адреса операндов, принимающих участие в
данной операции.

33.

1.6. Понятие такта.
Возможности процессора определяются следующими основными характеристиками:
- степенью интеграции или непосредственно связанной с ней технологией
производства;
- внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;
- частотой тактового генератора для процессора;
- производительностью процессора;
- объемом памяти, к которой может адресоваться процессор;
- объемом каждого вида кэш-памяти;
- поддерживаемой частотой системной шины;
- типами оперативной памяти;
- набором команд;
- используемыми архитектурами и технологиями;
- напряжением электропитания и потребляемой мощностью;
- вариантом поставки;
- способом подключения.
Важнейшими характеристиками процессора, являются частота тактового генератора и
зависящий от нее такт работы процессора, называемый также машинным тактом или
циклом. В течение машинного такта выполняется одна или несколько микроопераций
процессора. Чем короче машинный такт, тем выше производительность процессора,
выражаемая количеством выполняемых команд (операций) в единицу времени.

34.

1.7. Вентили и комбинированные схемы.
Все многообразие устройств ЭВМ базируется на ограниченном наборе
типовых электронных элементов. Поэтому принцип действия даже
сверхсложного компьютера легко понять, если предварительно
разобраться в структуре и принципе работы базовых электронных
элементов, к которым относятся инвертор (ключ), вентиль и триггер.
Инвертор. На рис. 1.7, а представлена схема электронного ключа на
биполярном транзисторе, реализующая логическую функцию «НЕ»
(отрицание), а на рис. 1.7, б - его условное обозначение. При подаче на
вход схемы сигнала низкого уровня (логического «0») транзистор будет
заперт, т.е. ток через него проходить не будет, и на выходе будет сигнал
высокого уровня (напряжение источника питания Еп, логическая «1»).
Если же на вход схемы подать сигнал высокого уровня (логическую «1»),
то транзистор «откроется», начнет пропускать электрический ток. На его
выходе за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн
установится напряжение низкого уровня (логический «0»).Таким образом,
схема преобразует (инвертирует) сигналы одного уровня в другой, тем
самым выполняя логическую функцию «НЕ».

35.

Рисунок 1.7. Схема электронного ключа на биполярном транзисторе, реализующая
логическую функцию «НЕ».

36.

Вентиль. На рис. 1.8, а изображена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего
логическую функцию «И», а на рис. 1.8, б – его условное обозначение. Функция «И» - логическое умножение, ее
результат С равен единице, когда оба аргумента, и А, и В, равны единице.
Рисунок 1.8. Схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «И».
Если на входы Вх1 и Вх2 поданы сигналы низкого уровня (логические «0»), то оба транзистора закрыты,
ток через них не проходит, выходное напряжение на Rн близко к 0. Пусть на один из входов подано напряжение
высокого уровня (логическая «1»). Тогда соответствующий транзистор откроется, однако другой останется
закрытым, и ток через транзисторы и сопротивление нагрузки Rн по-прежнему не будет проходить.
Следовательно, при подаче напряжения высокого уровня лишь на один из транзисторов схема не переключается
и на выходе остается напряжение низкого уровня. И лишь при одновременной подаче на входы сигналов
высокого уровня (логических «1») на выходе мы также получим сигнал высокого уровня: открытые транзисторы
практически не оказывают сопротивление току, все напряжение падает на сопротивлении нагрузки, потенциал
вывода Вых становится высоким.

37.

На рис. 1.9, а приведена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего
логическую функцию «ИЛИ», а на рис. 1.9, б дано его условное обозначение. Функция «ИЛИ» логическое сложение, ее результат С равен единице, если хотя бы один из аргументов равен
единице.
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
Ω Ω
ΩΩ
Рисунок 1.9. Схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую
функцию «ИЛИ».
Здесь транзисторы включены параллельно друг другу. Если оба закрыты, то их общее
сопротивление велико и на выходе будет сигнал низкого уровня (логический «0»).Достаточно подать
сигнал высокого уровня (логическую «1») на один из транзисторов, как схема начнет пропускать ток
и на сопротивлении нагрузки установится также сигнал высокого уровня (логическая «1»).

38.

Комбинационная схема сумматора
Теперь рассмотрим комбинационные схемы, с помощью
которых может быть реализовано арифметическое сложение.
Анализ алгоритма сложения двоичных кодов показывает, что
сложение младших битов и сложение всех остальных битов
слагаемых производится по-разному. Различие обусловлено
необходимостью учитывать биты переносов для всех битов
слагаемых, кроме первого. Комбинационная схема, которая
реализует сложение только для двух младших битов слагаемых, называется полусумматором, а схема, реализующая
сложение
для
всех
остальных
битов
слагаемых,
называется сумматором, иногда используется также название
полный сумматор.

39.

Таблица истинности полусумматора
a
b
a+b
p
∑
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
10
1
0

40.

Введем следующие обозначения. Пусть а и b — участвующие в операции биты
слагаемых, X — бит результата, а р — бит переноса в следующий разряд. Основываясь на
правилах сложения двоичных кодов, получим, что работа полусумматора может быть описана
табл. истинности полусумматора. Схема полусумматора должна иметь два входа, на которые
подаются складываемые биты а и b два выхода, на которых формируются бит суммы и бит
переноса. Эти соображения приводят к изображенной на рис. 1.10 схеме полусумматора. Для ее
реализации требуется 14 транзисторов.
Рисунок 1.10. Комбинационная схема полусумматора
При сложении каждой следующей пары битов слагаемых
необходимо учитывать бит переноса из предыдущего разряда.
Следовательно, эта операция зависит от трех аргументов, а
соответствующая комбинационная схема должна иметь три входа. В
результате сложения текущей пары битов получаете n бит текущего разряда суммы и бит переноса в следующий разряд. Поэтому схема должна
иметь два выхода.

41.

1.8. Схема памяти на базовых вентилях.
Схемы, состоящие из базовых вентилей, применяются не
только для создания устройств, выполняющих действия над
данными. Они используются также и для реализации одной из
разновидностей памяти в компьютере. Но схемы памяти не
могут быть отнесены к группе комбинационных схем, так как
получаемый на их выходах результат зависит не только от
поступивших на вход данных, но и от текущего состояния
схемы. Собственно говоря, эта зависимость и обеспечивает
принципиальную возможность запоминания данных. Схемы,
обладающие
такими
свойствами,
относятся
к
группе
последовательных схем. Кроме того, для них используется
название «автоматы с памятью».

42.

Рисунок 1.10. Состояние триггера при нулевых
значениях на входах: а и б - устойчивые; в –
неустойчивое
Триггер. Триггером называется электронное
устройство с двумя устойчивыми состояниями, одно из
которых характеризуется высоким (логическая «1»), а
второе низким (логический «0») уровнем выходного
сигнала. Триггер состоит из двух вентилей. На рис. 1.12,
а показан триггер, составленный из двух вентилей
«ИЛИ-НЕ» (точно так же для этой цели используются и
вентили «И-НЕ»), а на рис 1.12, б – его условное
обозначение.
Рисунок 1.11. Схема триггера.

43.

Рассмотрим работу этой схемы. Пусть в начальный момент
времени входы R, S и выход Q имеют низкий логический уровень.
Для переключения триггера в состояние Q=1 необходимо на вход S
подать «1».На входе соответствующего вентиля будут действовать
входные логические сигналы: «0» (с выхода Q) и «1» (со входа S). На
его выходе возникает инвертированная «1»,т. е. «0». Следовательно,
через некоторое время Dt, в течение которого входной сигнал S=1
достигнет выхода вентиля, состояние выхода `Q изменится с «1» на
«0». Теперь на входы второго вентиля будет действовать новая пара
сигналов: «0» на вход R и «0» с выхода `Q. Следовательно, еще
через Dt на выходе этого вентиля возникнет инвертированный
сигнал «0», т. е. «1». Таким образом, через время 2Dt после подачи
входного сигнала S=1 на выходе Q триггера логический «0»
изменится на логическую «1». Следующее переключение триггера
произойдет, если на вход R подать сигнал высокого уровня, и т. д.
Триггер может работать бесперебойно лишь с периодом, не
меньшим 4Dt.

44.

Регистр. Из триггеров (они бывают и других типов,
отличных от рассмотренного) строятся многие элементы ЭВМ,
например регистры. Они предназначены для приема,
временного хранения и передачи информации в двоичном
коде. Каждый триггер регистра используется для ввода,
хранения и вывода одного разряда двоичного числа. Регистр,
предназначенный для хранения информации, называют
накопительным. Существуют также сдвигающие регистры, в
которых
двоичную
информацию
можно
перемещать
поразрядно влево и вправо, а также счетные регистры,
предназначенные для преобразования десятичных чисел в
двоичные и обратно. На основе базовых элементов строятся
различные микросхемы ЭВМ, например, процессор, память,
сумматор, дешифратор, мультиплексор и др.

45.

1.9. Интегральные схемы.
Интегральные схемы - твердотельное устройство, содержащее
группу приборов и их соединения (связи), выполненное на единой
пластине (подложке). В интегральной схеме интегрируются пассивные
элементы (ёмкости, сопротивления) и активные элементы, действие
которых основано на различных физических явлениях. Внутренние связи
интегральной
схемы
преобразуют
множество
приборов
в
функциональное устройство для целей информатики, преобразования
различных видов энергии и робототехники.
Часто под интегральной схемой понимают собственно кристалл или
плёнку с электронной схемой, а под микросхемой — ИС, заключённую в
корпус.
ИС подразделяются:
- по способу объединения (интеграции) элементов - на
полупроводниковые, или монолитные (основной тип), пленочные и
гибридные (в т. ч. многокристальные);
- по виду обрабатываемой информации - на цифровые и
аналоговые.

46.

Вентили производятся и применяются не по отдельности, а в модулях,
которые называются интегральными схемами (ИС), или микросхемами.
Интегральная схема представляет собой квадратный кусок кремния
размером примерно 5x5 мм, на котором располагаются несколько
вентилей. Маленькие интегральные схемы обычно помещаются в
прямоугольные пластиковые или керамические корпуса размером от 5 до
15 мм в ширину и от 20 до 50 мм в длину. Вдоль длинных сторон
располагается два параллельных ряда выводов около 5 мм в длину,
которые можно вставлять в разъемы или впаивать в печатную плату.
Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого-нибудь вентиля,
с источником питания или с "землей". Корпус с двумя рядами выводов
снаружи и интегральными схемами внутри официально называется
корпусом с двусторонним расположением выводов (Dual Inline Package,
DIP), но все называют его микросхемой, игнорируя разницу между куском
кремния и корпусом, в который он помещается. Большинство корпусов
имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 40, 64 или 68 выводов. Для больших
микросхем часто используются корпуса, у которых выводы расположены
со всех четырех сторон или снизу.

47.

Микросхемы можно разделить на несколько классов с
точки зрения количества вентилей, которые они содержат.
Эта классификация, конечно, очень грубая, но иногда она
может быть полезна:
- МИС (малая интегральная схема) - от 1 до 10 вентилей;
- СИС (средняя интегральная схема) - от 1 до 100
вентилей;
- БИС (большая интегральная схема) - от 100 до 100 000
вентилей;
- СБИС (сверхбольшая интегральная схема) - более 100
000 вентилей.
Эти схемы имеют различные свойства и используются для
различных целей.

48.

МИС обычно содержит от двух до шести независимых вентилей, каждый из которых может
использоваться отдельно, как описано в предыдущих разделах. На рис. 1.13 изображена обычная МИС,
содержащая четыре вентиля НЕ-И.
Рисунок 1.12. МИС из четырех вентилей
Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует 12 выводов.
Кроме того, микросхеме требуются питание (Усс) и земля. Они общие для всех вентилей. На
корпусе рядом с выводом 1 обычно имеется паз, чтобы можно было определить, что это
вывод 1. Чтобы избежать путаницы на диаграмме, по соглашению не показываются
неиспользованные вентили, источник питания и земля.

49.

Подобные микросхемы стоят несколько центов. Каждая содержит
несколько вентилей и примерно до 20 выводов. В 70-е годы компьютеры
конструировались из большого числа таких микросхем, но в настоящее
время на одну микросхему помещается целый центральный процессор и
существенная часть памяти (кэш-память).
Для удобства мы считаем, что выходной сигнал вентиля изменяется, как
только изменяется сигнал на его входе. На самом деле существует
определенная задержка вентиля, которая включает в себя время
прохождения сигнала через микросхему и время переключения. Задержка
обычно составляет от 1 до 10 нс.
В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн транзисторов
на одну микросхему. Так как любая схема может быть сконструирована из
вентилей НЕ-И, может создаться впечатление, что производитель способен
изготовить микросхему, содержащую 5 млн вентилей НЕ-И. К несчастью, для
создания такой микросхемы потребуется 15 000 000 выводов. Поскольку
стандартный вывод занимает 0,1 дюйма, микросхема будет иметь в длину
более 18 км. Поэтому чтобы использовать преимущество данной технологии,
нужно разработать такие схемы, в которых количество вентилей значительно
превышает количество выводов.