Классификация и основные параметры и

Классификация и основные параметры и
характеристики элементов ЭВМ
Схемотехника ЭВМ – научно-техническое направление, задачами которого является
анализ и синтез элементов, узлов и устройств, составляющих элементную базу вычислительных
машин.
Синтез схем ЭВМ выполняется с помощью принципов и методов схемотехнического
проектирования, основой которого является аппарат формальных преобразований алгебры логики,
теория цифровых автоматов, а также эффективные неформальные инженерные решения.
ЭВМ состоит из большого числа элементарных схем – элементов.
Элемент ЭВМ – наименьшая функциональная часть ЭВМ, которая выполняет
простейшую функцию обработки электрических сигналов (логическую, запоминание,
вспомогательную или специальную) и используется при ее логическом проектировании.
Элемент, выполняющий несколько функций обработки сигналов, называется
многофункциональным.
Совокупность электрически связанных элементов ЭВМ, выполняющая определенную
микрооперацию над словом (словами) определенной разрядности, называется функциональным
узлом или просто узлом.
Устройством ЭВМ называется ее часть, имеющая определенное функциональное
назначение и состоящая из элементов и функциональных узлов.
Элементы ЭВМ выполняют функции приема, хранения, преобразования (обработки) и
выдачи информации.
В зависимости от формы представления информации элементы разделяются на
аналоговые и цифровые. Аналоговые элементы выполняют преобразование и обработку
информации, изменяющейся по закону непрерывной функции. Цифровые элементы
предназначены для преобразования и обработки двоичных сигналов, изменяющихся по закону
дискретной функции и в любой момент времени принимающих одно из двух возможных значений
физической величины (электрического тока, напряжения, заряд, магнитной индукции, светового
потока и др.), которые отождествляются с символами 0 и 1.
Двоичные или в общем случае дискретные сигналы рассматриваются как процессы в
дискретном (автоматном) времени ta = nT, n=0,1,2, … Интервал времени между двумя соседними
моментами дискретного времени называется тактом, а сами дискретные моменты – тактовыми и
задаются генератором тактовых или синхронизирующих импульсов (синхрогенератором).
При заданной величине такта Т значения сигнала представляются в безразмерном
автоматном времени t=ta/T, где t=0,1,2,…,n. При этом полагают, что в моменты времени t
двоичный сигнал может принимать значения логического 0 или 1. Длительность переходного
процесса в элементе меньше величины такта.
В дальнейшем рассматриваются только цифровые элементы.
По функциональному назначению цифровые элементы подразделяются на
логические, запоминающие, вспомогательные, специальные.
Логические элементы (ЛЭ) предназначены для реализации функций алгебры логики.
Входные сигналы ЛЭ отождествляются с логическими переменными функциями, выходные – со
значениями функции. ЛЭ делятся на активные (например, на транзисторах) и пассивные
(например, на диодах).
Запоминающие элементы (элементы памяти) предназначены для запоминания и
временного хранения двоичной информации. Специальной организацией запоминающего
элемента можно обеспечить запись, считывание, стирание или регенерацию информации. В
качестве элементов памяти в ЭАМ широко используются триггеры, магнитные элементы,
конденсаторы.
Вспомогательные элементы предназначены для усиления, формирования по
длительности и уровням направления, задержки, генерирования, преобразования уровней,
индикации электрических сигналов в схемах ЭВМ.
Специальные элементы выполняют преобразования электрических сигналов,
например, для управления процессами записи и считывания информации в магнитной ли
оптической среде, для гальванической развязки и т.п.
По способу кодирования двоичных переменных различают потенциальные,
импульсные, импульсно-потенциальные, динамические и фазовые элементы.
По типу основного активного электрорадиоэлемента элементы ЭВМ разделяются на
элементы на биполярных и униполярных транзисторах.
По виду реализуемой логической функции различают ЛЭ И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИНЕ, И-ИЛИ, ИЛИ-И, И-ИЛИ-НЕ, ИЛИ-И-НЕ, ИЛИ/ИЛИ-НЕ и др.
Задачи обработки информации в ЭВМ могут быть решены с помощью ограниченного
набора типов ЛЭ. Элементы памяти – триггеры строятся также на логических элементах. Поэтому
элементы ЭВМ разрабатываются и изготовляются в виде систем или серий.
Система элементов должна удовлетворять требованиям функциональной и технической
полноты и совместимости входных и выходных сигналов.
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
(например, на магнитных носителях).
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 (рис. 3.2).
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.).
Система элементов - функционально и технически полный набор элементов,
рассчитанных на совместную работу, имеющих единое конструктивно-технологическое
оформление и схемотехническое построение.
По конструктивному исполнению и технологии изготовления различают элементы,
выполненные на дискретных электрорадиоэлементах, и элементы, выполненные по интегральной
технологии в виде интегральных микросхем.
Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную
функцию преобразования, отработка сигнала И (ИЛИ) накапливание информации и имеющее
высокую плотность упаковки электрически соединенных электрорадиоэлементов, которое с точки
зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое
целое.
По схемотехническим принципам построения основного (базового) логического
элемента различают следующие типы логики систем элементов на биполярных транзисторах:
- диодную логику (ДЛ);
- транзисторную логику с непосредственными связями (НСТЛ);
- транзисторную логику с резисторными связями (РТЛ);
- транзисторную логику с резисторно-емкостными связями (РЕТЛ);
- диодно-транзисторную логику (ДТЛ);
- транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), с диодами и транзисторами Шоттки
(ТТЛШ);
- эмиттерно-связанную логику (ЭСЛ);
- интегральную инжекционную логику (И2Л).
ЛЭ И2Л по схемотехническому построению являются элементами транзисторной
логики с непосредственными связями.
ЛЭ систем элементов на униполярных транзисторах строятся по схеме с
непосредственными связями. Униполярные транзисторы имеют структуру металл - диэлектрик –
полупроводник (МДП) или металл – окисел – полупроводник (МОП).
ЛЭ МДП – типа строятся на униполярных транзисторах с каналом одного типа (n-типа
или р-типа).
ЛЭ КМДП-типа представляют собой схемы, основанные на совместном включении
МДП-транзисторов с каналами n-типа и р-типа. Они получили название комплемнтарных, т.е.
взаимно дополняющих, структур (КМДП – структур).
В ЭВМ и цифровых устройствах наиболее широко используются серии элементов ТТЛ,
ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л, МДП- и КМОП-логики.
Система условных обозначени ИС.
Обозначение ИС состоит из четырех элементов (ГОСТ 18683-73. Микросхемы
интегральные. Классификация и система условных обозначений).
Первый элемент обозначения
- цифра, соответствующая конструктивнотехнологической группе, применительно к которой различают:
- полупроводниковые ИС – обозначены цифрами 1,5,7 (7 – бескорпусные
полупроводниковые ИС);
- гибридные ИС – обозначены 2,4,6,8;
- прочие ИС – обозначены цифрой 3 (пленочные, вакуумные, керамические).
Второй элемент – две-три цифры, соответствуют порядковому номеру разработки
данной серии ИС. Первые два элемента, составляющие 3-4 цифры, определяют номер серии ИС.
Третий элемент – две буквы, соответствующие подгруппе (первая буква) и виду
(вторая буква). Подгруппа и вид образуют понятие “типономинал”. В табл 3.1 приведены
фрагменты классификации ИС, соответствующие третьему моменту условного обозначения.
Четвертый элемент – одна или несколько цифр, соответствует порядковому номеру
разработки ИС в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному
признаку ИС.
Серии ИС, предназначенные для специального (например, военного) и широкого
промышленного применения различаются условиями эксплуатации и требованиями к их
параметрам.
ИС, предназначенные для широкого применения, в обозначении перед номером серии
содержат букву К (например, К555ЛА12). Серии, предназначенные для экспорта, обозначаются
буквой Э, стоящей перед буквой К (например ЭК565РУ7).
ИС, различающиеся только конструктивным исполнением, имеют, как правило, единый
полный номер серии (например, К155 и КМ155).
В обозначении ИС, отличающихся только конструктивным исполнением, перед
номером серии добавляется буква, обозначающая конструктивное исполнение корпуса:
Р – пластмассовый типа ДИП;
М – металлокерамический типа ДИП;
Е – металлополимерный типа ДИП;
С – стеклокерамический типа ДИП;
А – пластмассовый планарный;
И – стеклокерамический планарный;
Н – керамический “безвыводной”.
Например, в обозначении ИС КМ 155ЛА3 буква М обозначает металлокерамический
корпус типа ДИП.
В некоторых сериях буква в конце условного обозначения ИС определяет тип корпуса,
в котором она выпускается. Буква П обозначает пластмассовый, а буква М – металлокерамический
корпуса. (Например, К531ЛА16П, где П – пластмассовый корпус).
Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, определяющая
технологический разброс электрических параметров ИС данного типономинала (например, эта
буква А в обозначении ИС оперативной памяти К537РУ8А).
В условном обозначении ИС, выпускаемых в бескорпусном варианте, т.е., перед
номером серии добавляют букву Б (например, бескорпусной вариант серии 155 обозначается
Б155).
Пример условного обозначения ИС КР531ЛА12, в котором символы означают:
К – серия широкого применения;
Р – пластмассовый корпус с типа ДИП;
5 – группа полупроводниковых ИС;
31 – порядковый номер разработки данной серии;
ЛА – подгруппа и вид по функциональному назначению
(ЛЭ И-НЕ);
12 - номер разработки ИС в данной серии
по функциональному признаку.
Первая и вторая группа цифр обозначают номер серии: 531. ИС КР531ЛА12 содержит
четыре ЛЭ 2И-НЕ с повышенной нагрузочной способностью.
Серии интегральных схем как системы элементов, предназначенные для построения
ЭВМ и цифровых устройств различного назначения, характеризуются такими показателями, как
быстродействие, потребляемая мощность, помехоустойчивость, логические возможности,
температурный диапазон работы, надежность, стоимость.
Количественная оценка этих показателей может быть сделана с помощью параметров
элементов и в первую очередь логических элементов.
Параметры элементов ИС определяются по их характеристиками. Характеристики
элементов делятся на статические и динамические. По указанным характеристикам определяют
статические и динамические параметры элементов ИС.
К основным статическим характеристикам относятся: входная, передаточная
и выходная.
Входная характеристика ИС – зависимость входного тока Iвх от входного напряжения
Uвх от входного напряжения Uвх, т.е. Iвх = f1(Uвх).
Характеристика снимается для одного из входов x1 ИС, а остальные входы
подключаются к цепи, в которой действуют напряжения уровня U1 или U0 при заданном
количестве нагрузок Краз на выходе элемента. Из этой характеристики определяют входные токи
логических нуля I0вх и единицы I1вх при уровнях входного напряжения U0вх и U1вх соответственно.
Передаточная характеристика ИС – зависимость выходного напряжения Uвых от
входного напряжения Uвх, т.е. Uвых = f2(Uвх).
Характеристика снимается для одного из входов xi, а остальные входы подключаются к
цепи, в которой действуют уровни напряжения U1 или U0 при заданном количестве нагрузок Краз
на выходе элемента. Из этой характеристики определяются уровни напряжения U1, U0,
напряжение логического перепада Uл = U1 – U0, пороговое напряжение Uпор и параметры к
помехоустойчивости.
Выходная характеристика ИС – зависимость выходного тока Iвых от выходного
напряжения Uвых, т.е. Iвых = f3(Uвых).
Характеристика снимается для двух состояний элемента: 1) на выходе – уровень
напряжения U0вых; 2) на выходе – уровень напряжения U1вых. Для получения выходного
напряжения Uвых используется внешний, регулируемый по значению и полярности напряжения
±Uип источник питания. Из этой характеристики определяются выходные токи логических нуля и
единицы I1вых при уровнях напряжения U0выхи U1вых и соответственно.
Логическое соглашение
Алгебра логики имеет дело с переменными и функциями, которые могут принимать два
логических состояния (значения): состояние «логическая 1» и состояние «логический 0». В
реальных логических элементах логические состояния 1 и 0 представляются двумя значениями
физической величины: более положительным Н и менее положительным L. Эти два значения
называются логическими уровнями.
Соответствие между логическими состояниями 1 и 0 и логическими уровнями Н и L
физической величины устанавливаются соглашениями положительной и отрицательной логики.
В соглашении положительной логики более положительное значение физической
величины (логический уровень Р) соответствует состоянию «логическая 1», менее положительное
значение физической величины (логический уровень L) соответствует состоянию «логический 0».
В соглашении отрицательной логики логический уровень Н физической величины
соответствует состоянию «логического 0», а логический уровень L» – состоянию «логической 1».
Чаще всего логические состояния 0 и 1 представляются уровнями напряжения U0 и U1.
При U1  U0 имеет место соглашение положительной логики, при U1 U0 – отрицательной.
В логических элементах сигналы преобразуются однозначно независимо от логического
смысла, который им придается. Однако вид логической функции, выполняемой элементом,
зависит от логического соглашения, т.е. от способа кодирования логических переменных 0 и 1
значениями физической величины L и Н. Это важное положение вытекает из принципа
двойственности и закона де Моргана.
В табл.1 в качестве примера приведены значения входных Uвых1 и Uвых2 и выходного
Uвых сигналов двухвходового ЛЭ, выраженные значениями высокого Uн и низкого Ul уровней
напряжения.
Таблица 1
Uвх1
UL
UL
Uн
Uн
Uвх2
UL
Uн
UL
UН
Uвых
UL
UL
UL
Uн
В табл.2 приведены значения функции Y=f(x1, х2) для соглашений положительной и
отрицательной логики.
Переменные Х1, Х2 и функции Y отображаются уровнями UL и Uн напряжений Uвх1, Uвх2
и Uвых соответственно.
Таблица 2
Положительная логика
Отрицательная логика
Х1
Х2
Y
X1
X2
Y
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
Y = X1  X2
Y = X1  X2
В положительной логике ЛЭ выполняет функцию И, в отрицательной – функцию ИЛИ,
что следует из законов для Моргана.
ГОСТ 2.743-91 устанавливает правила построения условных графических обозначений
(УГО) логических элементов, которые допускается изображать в двух логически эквивалентных
формах. Имея обозначение ЛЭ, можно получить его эквивалентную форму, заменив в основном
поле УГО символ операции  на символ 1 или наоборот; все прямые входы заменить инверсными,
а инверсные – прямыми.