Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987) (1092081), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Это подтверждают такие названия, как управляющая ЭВМ, устройство управления памятью, вспомогательная и сателлитная ЭВМ и множество других. В цифровой электронике к настоящему времени осуществлен переход к общеупотребительным символам для обозначения различных логических функций. Например, до снх пор применяется система обозначений шйзрес с ее «отличительными формами» элементов.
В !965 г. Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) начала разрабатывать более удобную и более простую символику, которая постепенно проникает и в промышленность. В этом томе мы будем применять обе системы обозначений н поочередно ими пользоваться Это вызвано тем, что в настоящее время обе системы находят широкое применение.
При описании существующих КМОПч ТТЛ- и маломощных ТТЛШ-схем в справочниках по цифровым ИС все еще используется «старая» система пн!зрес, однако при составлении дополнений к этим справочникам многие изготовители в настоящее время предпочитают систему МЭК. Мы много говорили здесь о постепенном переходе от системы пц!зрес к системе МЭК, потому что читатели этой книги, несомненно, еще встретятся как со старой, так и с новой системами обозначений. В гл.
2 показано, что этн системы на самом деле очень похожи друг на друга и комбинированное применение тех и других символов обычно не приводит к недоразумениям. В книге отражена небольшая часть того опыта, который автор приобрел за 28 лет работы в области цифровой электроники, в том числе и в области разработки ЭВМ. Я надеюсь, что читателю эта книга поможет ориентироваться в похожем на лабиринт увлекательном мире цифровой электроники. Хазерсвуде, )982 г. Я. Янсен Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В ДИСКРЕТНУЮ СХЕМОТЕХНИКУ И ДВОИЧНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ 1.1. Введение Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств является результатом технического прогресса не только последних десятилетий.
Еще в средние века были созданы примитивные по современным понятиям решающие устройства, которые могли выполнять такие несложные вычислительные действия, как сложение и вычитание. Эти вычислительные машины, работавшие на чисто механическом принципе, были столь велики по размерам н дороги, что, конечно же, тогда не могло быть и речи о той популярности, которой пользуются, например, современные карманные калькуляторы. Эти машины предназначались для исследовательских целей и ими пользовались в основном их изобретатели. Впрочем, это не означало, что подобные научные разработки были совершенно бесполезными.
Они обогащали науку в целом и, конечно, давали определенный вклад в развитие технологии изготовления серийных машин и автоматов в течение последующих веков, в особенности в Х1Х в. Проблему создания электронных вычислительных машин и автоматов стали широко обсуждать впервые после изобретения радиоламп в начале ХХ в. В эти годы были созданы различные схемы, которые впоследствии применялись в качестве базовых элементов цифровых схем. Здесь имеются в виду различные генераторы (типа мультивибраторов), а также логические схемы, реализующие функции И, ИЛИ и НЕ (обращения, инверсии), и усилители считывания для магнитных запоминающих устройств (ЗУ).
Перед второй мировой войной впервые была сделана попытка создать полномасштабную электронную вычислительную машину (ЭВМ), в которой использовались радиолампы, селеновые диоды и магнитные запоминающие элементы для регистров и ЗУ. В Голландии развитие вычислительной техники началось после второй мировой войны. Работы в области создания ЭВМ были начаты почти одновременно в Математическом центре в Амстердаме, в лаборатории РТТц в Лейдшендаме (д-ром Не- и Роз1егйеп — Те!еягаае — Те!е1оп1е — Министерство связи. — Прим.
пе- рев. Дискретная схемотехника и двоичное исчисление херлабом) и в Национальной лаборатории Филипса в Эйндховене. Как известно, первая ЭВМ, созданная в Математическом центре, была собрана из релейных элементов. Конструкция машины была признана неудачной из-за постоянных сбоев, возникающих в результате загрязнения контактов реле. Уже в начале 50-х годов были разработаны электронные машины, которые имели лучшие характеристики. Первые ЭВМ назывались АККА (аббревиатура от словосочетания Ап(ота((асье Ке1а!з Кекептас)!!пе Ашз!егбаш), т. е.
назывались так же, как и предыдущие машины, которые, как уже говорилось выше, были собраны исключительно из релейных элементов. Для новых ЭВМ из-за интенсивного тепловыделения многочисленных радиоламп потребовалась эффективная система охлаждения с большими вентиляторами, смонтированными внутри корпуса ЭВМ. Вентильные схемы АККА собирались из селеновых диодов и радиоламп (двойных триодов), а в качестве запоминаю!цих элементов регистров применялись магнитные кольцевые сердечники. Для хранения команд и других данных использовались барабанные ЗУ.
Ввод информации осуществлялся с помощью устройства собственного изготовления для считывания перфолент, а вывод информации — с помощью модифицированной электрической пишущей машинки. Из-за низкого качества селеновых диодов и относительно быстрого старения радиоламп эту ЭВМ вряд ли можно было рассматривать как высококачественное изделие, пригодное для крупномасштабного производства.
Тем не менее АККА в течение ряда лет использовалась для решения научно-исследовательских задач. В конце 1957 г. была создана ЭВМ Х1, разработанная в Математическом центре и выполненная полностью на транзисторах. Эта ЭВМ впоследствии была запущена в массовое производство существовавшей в то время фирмой (ч(. У. Е!ес1го!ой!са (г. Рейсвейк).
В ЭВМ Х1, которая была значительно меньше по размерам, чем ламповые ЭВМ, логические элементы, такие, как схемы И, ИЛИ и обращения (инверсии), были собраны из дискретных компонентов, смонтированных на печатной плате. Эта плата, снабженная периферийными контактами с покрытием из тонкого слоя золота, собиралась в виде единого модуля.
На одной плате располагались две схемы И-НЕ с тремя входами на каждую, которые были изготовлены из ДТЛ-элементов' >. Соединения между модулями, необходимые для реализации требуемых вычислительных функций, выполнялись с помощью проводников, и дТЛ вЂ” диодно-транзисторная логика. — Прим.
перев. Рис. Е1а, Виешиий вид ЭВМ РТЕКА. На переднем плане видна панель управлеиия с электрической пишущей машинкой и устройством для чтения перфолент, которые врименялись для ввода и вывода данина. Дискретная схемотехника и двоичное начисление Рнс. 1.10. Даа регистра нз ЭВМ АРКА, концы которых впаивались в разъемы, размещенные в корпусе ЭВМ. ЭВМ Х1 имела высококачественную для того времени аппаратуру ввода и вывода информации, в которую входили перфоратор и устройство для считывания перфокарт, быстрое печатающее устройство, устройства для перфорации и чтения перфолент, а также система для работы с магнитными лентами и магнитным дисковым ЗУ. На рис.
1.1а и 1.16 приведены фотоснимки первых ЭВМ, иллюстрирующие достижения Голландии в области разработок Рнс. 1.1а. Одни модуль нз ЭВМ АРКА, транзнсторный модуль нз ЭВМ Х1, мнкропропессоры 8080А н 8085А н ППЭУ тяпа 2708. Глава ! ЭВМ. В частности, на рис. 1.1а показана ЭВМ РТЕКА, разработанная РТТ и содержащая около 700 радиоламп и 120 реле. На рис.
1.1б показаны два магнитных регистра из ЭВМ АККА, которые вместе с АЛУ входили в состав счетно-решающего устройства, а на рис. 1.1в — один ламповый модуль из ЭВМ АКВА, в котором смонтированы две схемы И-НЕ. Наэтом рисунке мы видим также двойную схему И-НЕ, которая была собрана на транзисторах и использовалась в ЭВМ Х!, а рядом с этой схемой — микропроцессоры 8080А и 8085А вместе с ППЗУ типа 2?08. Монтаж ЭВМ, состоящей из дискретных компонентов и проволочных соединений, оказался очень трудоемким процессом, что привело к существенному удорожанию подобных систем.
Изменение элементной базы произошло в середине 60-х годов, когда на рынке появились интегральные схемы (ИС) первоначально с небольшой плотностью расположения элементов, например по четыре схемы типа И-НЕ на одном кристалле, а затем и с более высокой плотностью, что позволило реализовать более сложные функции. Под более сложными мы понимаем функции, реализуемые в схемах селекторов, мультиплексоров, демультнплексоров, сумматоров, декадных и шестнадцатеричных счетчиков и других устройств. Вначале устройства на интегральных схемах были выполнены на ДТЛ-элементах, а затем на ТТЛ-элементах' >. Последние применяются и в настоящее время. Позднее семейство цифровых схем пополнилось КМОП- структурами'>, которые в настоящее время находят все большее применение, а ТТЛ-схемы продолжают совершенствоваться в направлении увеличения скоростей переключения и уровня допустимого тепловыделения.
Благодаря высокой степени интеграции (несколько десятков схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ на одном кристалле) стоимость цифровых схем существенно снизилась. Кроме того, совершенствование технологии изготовления привело к росту производства ИС. Указанные факторы повлияли на стоимость ЭВМ, тем более что за счет меньших размеров модулей на одной плате стало возможным разместить большее число ИС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
