Элементная база ЭВМ

Реферативная работа

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ

Содержание

• Введение 3
• 1. Классификация элементов и узлов ЭВМ 4
• 2. Комбинационные схемы 6
• 3. Схемы с памятью 8
• 4. Проблемы развития элементной базы 14
• Список литературы 17

Введение

Современная цифровая вычислительная техника, наиболее мощное средство автоматической обработки информации, воплощает в себе достижения многих отраслей науки и техники. С каждым годом увеличиваются масштабы применения ЭВМ во всех отраслях народного хозяйства, в связи с чем возрастают требования к характеристикам схем ЭВМ и следовательно к принципам их проектирования и построения.

С момента создания первых ЭВМ их элементная база менялась четыре раза, поэтому различают ЭВМ четырех поколений.

В ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы.

В ЭВМ второго поколения в качестве элементной базы использовали полупроводниковые диоды и транзисторы.

В ЭВМ третьего поколения в качестве элементной базы использованы интегральные схемы.

1. Классификация элементов и узлов ЭВМ

Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах системах интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют большие БИС и даже сверхбольшие интегральные схемы. На очереди следует ожидать появления ультра больших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.

В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный.

Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.

При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обработка такой информации производится последовательно разряд за разрядом. Такой вид представления и передачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки Определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).

Параллельный код отображения и передачи информации предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах, т.е. параллельный код данных развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.

Во всех вычислительных машинах используются и параллельно-последовательные коды представления информации. При этом информация отображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом.

По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.

К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т.п. Данные элементы служат для выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).

Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.

Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений. Только запоминающие элементы в схемах ЭВМ позволяют проводить обработку информации с учетом ее развития.

2. Комбинационные схемы

Обработка входной информации Х в выходную У в любых схемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифровыми автоматами двух видов: комбинационными схемами и схемами с памятью.

Комбинационные схемы - это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у₁, у₂, ..., у_m) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов Х = (х₁, х₂,..., х_n), поступающих в тот же момент времени t. Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу при поступлении входных сигналов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие. Преобразование информации однозначно описывается логическими функциями вида Y=f(Х).

Логические функции и соответствующие им комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры. Регулярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущими. В нерегулярных структурах такая аналогия отсутствует.

Рассмотрим принципы построения подобных регулярных структур. Дешифраторы (ДШ) - это комбинационные схемы с п входами и m =2n выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов.

Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации па определенному адресу, для расшифровки кода операции и др. Логические зависимости дешифратора:

Шифратор (ШР) решает задачу, обратную схемам ДТП, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов. Пример построения ШР иллюстрируется таблицей истинности (табл. 3.2) и схемами на рис. 3.3.

Схемы сравнения или компаратор обычно строятся как поразрядные. Они широко используются и автономно, и в составе более сложных схем, например при построении сумматоров.

Комбинационный сумматор. Принципы построения и работы сумматора вытекают из правил сложения двоичных цифр (п.2.3). Схема сумматора также является регулярной и широко используется в ЭВМ. При сложении одноразрядных двоичных цифр можно выявить закономерности в построении и многоразрядных сумматоров.

Уравнения, положенные в основу одноразрядного сумматора, используются и при построении многоразрядных сумматоров. Таблица истинности сумматора, учитывающего сигналы переноса, отличается от таблицы полусумматора дополнительным входом р -переносом из предыдущих разрядов.

Структурная схема многоразрядного комбинационного сумматора на электрических схемах изображается в виде рис. 1.

а- структурная схема одного разряда; б - условное изображение

Рис.1. Структурная схема многоразрядного комбинационного сумматора

3. Схемы с памятью

Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Выходные сигналы Y = (y₁, y₂, ..., у_m) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов Х = (х₁, х₂, ..., х_n), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q₁, q₂, ..., q_k).

Передача значения Q между моментами времени t и (t+1) осуществляется обычно с применением двухступенчатой памяти и синхронизирующих импульсов (СИ).

В качестве простейшего запоминающего элемента (ЗЭ) в современных ЭВМ используют триггеры. В связи с успешным применением микроэлектроники в схемах основных устройств ЭВМ (процессоров и оперативной памяти) исчезли в качестве запоминающихся элементов схемы, использующие остаточную намагниченность - ферритовые сердечники. Самая простейшая схема триггера может быть синтезирована по общим правилам (п.2.4.4).

Пример3.1. Построить автомат намят - триггер, имеющий вход R (Reset - сброс), Для установки элемента в "нулевое состояние" и вход S (Sеt - установка) - для установки элемента в "единичное" состояние. При отсутствии сигналов R=S=0 элемент должен сохранять свое состояние до тех пор, пока не будут получены новые сигналы на входе К или 8.

В этой таблице знаком "~"отмечены запрещенные комбинации входных сигналов. Эти комбинации могут быть использованы для упрощения логических зависимостей. Логическая зависимость, описывающая работу элемента памяти, принимает вид:

 (3.1)

Уравнение (3.4) получено путем эквивалентных преобразований. Добавление в него комбинаций, соответствующих запрещенным ситуациям и помеченных знаком "~", т.е.

позволяет еще больше упростить уравнение триггера:

 (3.2)

Для реализации полученной зависимости в базисе И - НЕ применим правило де Моргана и получим функцию

По данной зависимости можно построить схему элемента памяти - асинхронного RS-тригера. В этой схеме следует только соединить выход q_t+1со входом q_t. На рис.2 эта связь отмечена штриховой линией.

Рис. 2. Схема асинхронного RS-триггера: а- схема; б - обозначение на принципиальных электрических схемах; в - временная диаграмма

RS-триггер нашел широкое распространение в схемах ЭВМ. Одиночные триггеры этого типа часто используются в различных блоках управления. В асинхронных RS-триггерах имеется один существенный недостаток, обусловленный самой логикой их построения , т.е. в них сигналы R и S должны быть разнесены во времени. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры с более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D- триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-трштеров [ 4].

Прописные буквы в названиях триггеров обозначают:

* R (Reset - сброс) - вход установки триггера в нулевое состояние Q=0;

* S (Set - установка) - вход установки триггера в единичное состояние 0=1;

* Т (Toggle - релаксатор) - счетный вход триггера;

* J (Jerk - внезапное включение) - вход установки ЛС-триггера в единичное состояние Q=1;

* К (Kill - внезапное выключение) - Q=0;

* D (Delay - задержка) - вход установки триггера в единичное или нулевое состояние на время, равное одному такту;

* С (Clock - часы) - вход синхронизирующих тактовых импульсов. На рис. 3.10 показаны схемы синхронного однотактного (а) и двухтактного (б) RS-триггеров.

Двухкаскадная схема RS-триггера (рис.3, б) нашла наиболее широкое применение для построения n-разрядных схем запоминания - всевозможных регистровых схем. Штриховыми линиями на схеме указаны дополнительные точки подключения сигналов установки и сброса.

Рис. 3. Электрическая и функциональная схемы синхронных RS-тригтеров: а, б - варианты

При построении ЭВМ широко используются функциональные схемы, обеспечивающие операции хранения и преобразования информации над группами битов (машинными словами). Такие сложные схемы называются узлами. К типовым узлам относят: регистры, счетчики, сумматоры. Все они также принадлежат к регулярным структурам, состоящим из одинаковых параллельно работающих одноразрядных схем.

Регистром называется узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи машинного слова. Регистры могут также использоваться для некоторых операций преобразования данных: для сдвига кода числа (слова) на определенное число разрядов влево или вправо, для преобразования последовательного кода числа в параллельный и наоборот и т.д. Эти дополнительные функции регистров обеспечиваются путем усложнения схем хранения, выбора более сложных триггеров и подключения дополнительных логических схем на их входах и выходах.

Таким образом, регистры представляют собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение различных операций над словом.

На рис.4 показана функциональная схема n-разрядного регистра, построенного на RS-триггерах. Информация в регистр записывается под действием сигнала "Запись". Предварительно перед установкой кода на регистр обычно на все разряды R подается сигнал сброса. На рисунке показано, что подключение к входам R дополнительных инверторов позволяет избежать этой предварительной операции. Здесь на вход каждого разряда поступает парафазный код двоичной цифры (x_i - на вход S_i и х_i - на вход R_i), т.е. прямое и инверсное значения кода подаются в противофазе.

На рис.5 изображена функциональная схема того же регистра, дополненная логическими элементами для преобразования хранящегося на регистре кода. По сигналу "Прямой код" с регистра считывается прямой код хранящихся данных, а по сигналу "Обратный код" - инверсное значение каждого разряда слова. Если оба эти сигнала поступают одновременно, то считывается парафазный код хранящейся информации. Более сложная логика на входе и выходе запоминающих элементов позволяет строить сдвигающие регистры.

Рис. 4. Схема регистра на RS-триггерах: а - функциональная схема; б - условное обозначение регистра

Рис. 5. Схема выдачи информации из регистра

Счетчик - узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичного числа. Счетчик, состоящий из n-триггеров, дает возможность подсчитывать до N сигналов, связанных зависимостью:

n = log2 NилиN = 2".

В ЭВМ счетчики используются для подсчета импульсов, сдвигов, формирования адресов и т.д. Функционально различают суммирующие, вычитающие, реверсивные счетчики. Они также отличаются друг от друга логикой работы дополнительных логических элементов, подключаемых к триггерам.

В основу построения любого счетчика положено свойство Т-триггеров изменять свое состояние при подаче очередного сигнала на счетный вход Т.

Сумматор - узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел. Как правило, любой сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров. Сумматоры различают по принципам построения: накапливающего типа и комбинационного типа. Сумматоры накапливающего типа строят на сложных JKRS-триггерах, дополняя их выходы достаточно сложными схемами формирования и распространения переносов. Процесс сложения при этом осуществляется поэтапно. Сначала на триггерах сумматора фиксируется код первого операнда, затем на счетные коды разрядов подается код второго операнда. По зависимостям (3.3) на каждом триггере формируются одноразрядные суммы и значения переносов между разрядами. Учет возникающих переносов задерживает формирование окончательного результата суммы и может требовать дополнительных тактов сложения. Из-за этого многоразрядные схемы сумматора накапливающего типа используются достаточно редко.

Более часто для построения сумматоров используются сумматоры комбинационного типа. Обычно у такого сумматора на входе и выходе имеются регистры для хранения и преобразования кодов операндов и результата

Регистр Рг1 предназначается для хранения кода первого операнда, регистр Рг2 - для хранения кода второго операнда. Сумматор по сигналам из устройства управления настраивается на выполнение определенной машинной операции, соответствующей коду операции, находящемуся в коде команды. Результат выполняемой операции фиксируется в регистре РгЗ . При необходимости этот результат может использоваться для продолжения вычислений. Для этого предусматривается возможность перезаписи содержимого регистра РгЗ на Рг1 в качестве значения одного из операндов при выполнении очередной операции.

4. Проблемы развития элементной базы

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит, и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементной базы является показателем 'технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы. Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу программа - рисунок - схема. По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400мм2 - для процессоров (например, Pentium) и 200мм2 - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,5 - 0,35 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине волоса могут вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие достижения в микроэлектронике связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0.25, 0.18 и даже 0.08мкм.

При таких высоких технологиях возникает целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемое в чистых помещениях класса 1, микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении 10-4 Topp [З].

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплиментарные схемы, т.е. совместно использующие n- и р-переходы в транзисторах со структурой металл - окисел -полупроводник).

Известно, что W=U*I. Напряжение питания современных микросхем составляет 5 - 3V. Появились схемы с напряжением питания 2,8V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение сигнал-шум, гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должно обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С), позволяет достигнуть f_max, при этом Wp=Wn=0. Очень интересны результаты по использованию "теплой сверхпроводимости". Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150⁰С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

В качестве еще одного из альтернативных путей развития элементной базы ЭВМ будущих поколений следует рассматривать и биомолекулярную технологию. В настоящее время имеются опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на ток, на свет и т.п. Однако построение из них биологических микромашин еще находится на стадии экспериментов. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Основой для ЭВМ будущих поколений будут БИС и СБИС совместно с ССИС. При этом структуры ЭВМ и ВС будут широко использовать параллельную работу микропроцессоров.

Список литературы

2. Терминологический словарь по основам информатики и вычислительной техники / А.П.Ершов, Н.М.Шанский, А.П.Окунева, Н.В.Баско; Под ред. А.П.Ершова, Н.М.Шанского. - М.: Просвещение, 1991. - 159 с.

3. Крайзмер Л.П. Бионика. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 72 с.

4. Ф. Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика.

5. Электронный ресурс НИИ МВС ТРТУ: http://www.mvs.tsure.ru

6. Косарев В.П. Ерёмин Л.В. Компьютерные системы и сети. - М.: Финансы и статистика, 1999. - 464 с.

7. Кручинин С. Архитектура компьютера. Hard и Soft №4 1995.

8. Мельников Д.А. Информационные процессы в современных сетях. Протоколы, стандарты, интерфейсы, модели. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 1999. -256 с.