Тема 5 Элементы и узлы ЭВМ_2010 (987276), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Такие сложные схемы называются узлами.К типовым узлам относят: регистры, счетчики, сумматоры. Все они такжепринадлежат к регулярным структурам, состоящим из одинаковых параллельноработающих одноразрядных схем.РегистрРегистром называется узел, предназначенный для приема, временногохранения и выдачи машинного слова. Регистры могут также использоваться длянекоторых операций преобразования данных: для сдвига кода числа (слова) наопределенное число разрядов влево или вправо, для преобразованияпоследовательного кода числа в параллельный и наоборот и т.д. Этидополнительные функции регистров обеспечиваются путем усложнения схемхранения, выбора более сложных триггеров и подключения дополнительныхлогических 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.15 показана функциональная схема n-разрядного регистра,построенного на RS-триггерах.
Информация в регистр записывается поддействием сигнала "Запись". Предварительно перед установкой кода на регистробычно на все разряды R подается сигнал сброса. На рисунке показано, чтоподключение к входам R дополнительных инверторов позволяет избежать этойпредварительной операции. Здесь на вход каждого разряда поступает парафазныйкод двоичной цифры (xi - на вход Si и хi - на вход Ri), т.е. прямое и инверсноезначения кода подаются в противофазе.На рис.16 изображена функциональная схема того же регистра, дополненнаялогическими элементами для преобразования хранящегося на регистре кода.
Посигналу "Прямой код" с регистра считывается прямой код хранящихся данных, а посигналу "Обратный код" - инверсное значение каждого разряда слова. Если оба этисигнала поступают одновременно, то считывается парафазный код хранящейсяинформации. Более сложная логика на входе и выходе запоминающих элементовпозволяет строить сдвигающие регистры.Рис. 15. Схема регистра на RS-триггерах: а - функциональная схема; б - условноеобозначение регистраРис. 16. Схема выдачи информации из регистраСчетчикСчетчик - узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих наего вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичногочисла. Счетчик, состоящий из n-триггеров, дает возможность подсчитывать до Nсигналов, связанных зависимостью:n = log2 N или N = 2 n.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 логикойработы дополнительных логических элементов, подключаемых к триггерам.В основу построения любого счетчика положено свойство Т-триггеровизменять свое состояние при подаче очередного сигнала на счетный вход Т.
Нарис.17 показана схема трех разрядов суммирующего счетчика, построенного на Ттриггерах. Логика его работы представлена в табл. 11.Таблица 11Таблица переходов трехразрядного счетчикаВходх01000001010Состояние011100000001010011100101110111Хранение001010011100101110111000Счет101110111РежимРис. 17. Организация счетчика на Т-триггерах: а - функциональная схема; б временная диаграммаСумматор - узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел.
Как правило,любой сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров.Сумматоры различают по принципам построения: накапливающего типа икомбинационного типа. Сумматоры накапливающего типа строят на сложныхJKRS-триггерах, дополняя их выходы достаточно сложными схемамиформирования и распространения переносов. Процесс сложения при этомосуществляется поэтапно. Сначала на триггерах сумматора фиксируется кодпервого операнда, затем на счетные коды разрядов подается код второго операнда.По зависимостям (3) на каждом триггере формируются одноразрядные суммы изначения переносов между разрядами.
Учет возникающих переносов задерживаетформирование окончательного результата суммы и может требоватьдополнительных тактов сложения. Из-за этого многоразрядные схемы сумматоранакапливающего типа используются достаточно редко.Более часто для построения сумматоров используются сумматорыкомбинационного типа. Логика работы такого сумматора была представленаданными табл. 5. Обычно у такого сумматора на входе и выходе имеются регистрыдля хранения и преобразования кодов операндов и результата (рис.18).Рис. 18. Упрощенная схема сумматора ЭВМРегистр Рг1 предназначается для хранения кода первого операнда, регистрРг2 - для хранения кода второго операнда.
Сумматор по сигналам из устройствауправления настраивается на выполнение определенной машинной операции,соответствующей коду операции, находящемуся в коде команды. Результатвыполняемой операции фиксируется в регистре РгЗ . При необходимости этотрезультат может использоваться для продолжения вычислений. Для этогопредусматривается возможность перезаписи содержимого регистра РгЗ на Рг1 вкачестве значения одного из операндов при выполнении очередной операции.Проблемы развития элементной базыОдним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит,и высокой производительности ЭВМ и ВС является построение их на новейшейэлементной базе.Элементная база в значительной степени определяет быстродействие ипроизводительность ЭВМ. Смена поколений ЭВМ связана в значительнойстепени с переходом на новые поколения элементной базы.
Новаяэлементная база означает достижение новых частотных диапазонов работысхем в рамках доступных технологий.Элементная база служит показателем технического уровня развитиястраны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базыопределяются передовыми научными и техническими достижениями целогоряда наук: физики, химии, оптики, механики и др. Качество элементной базыявляется показателем технического прогресса.Рост быстродействия определяется уровнем развития технологии.Все современные ЭВМ и ВС строятся на микропроцессорных наборах,в основе которых – БИС и СБИС. Технологический принцип изготовленияинтегральных схем существует более 30 лет и называется многослойнаяоптическая литография.Суть – циклическое послойное изготовление частей электронных схемпо циклу: «программа - рисунок – схема».По программам на напылённый фоторезисторный слой наноситсярисунок будущего слоя микросхемы.
Затем рисунок протравливается,фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этогосоздается пространственная твердотельная структура.Например, СБИС Pentium содержит 3,5*106 транзисторов,размещенных в 5-ти слойной структуре.Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительностьи стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. Донастоящего времени доминирует многослойная оптическая литография, т.е.послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносятся световым лучом.Ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерамипримерно 400мм2 - для процессоров (например, Pentium) и 200мм2 - для схемпамяти.
Минимальный топологический размер (толщина линий) при этомсоставляет 0,5 - 0,35 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщиначеловеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешениина толщине волоса могут вычерчивать более двухсот линий.Дальнейшие развитие микроэлектроники связывают с электроннымисовременными технологиями, в основе которых лежат лазерная, йонная илирентгеновская литография.
Это позволит выйти на размеры проводников0,08 мкм с заменой алюминиевых проводников на медные, что позволитповысить частоту работы схемы.Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем: использование дорогостоящих заводов (2-4 млрд $) со«сверхчистыми помещениями класса 1»Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требуетвысокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумныхустановок и снижения рабочих температур.
Действительно, достаточно попаданиямельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтомуновые заводы по производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемоев чистых помещениях класса 1, микросхемы в которых транспортируются отоборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000.Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газомпри давлении 10-4 Topp уменьшение размеров микросхем и повышение уровняинтеграции ведет к необходимости борьбы с потребляемойи рассеиваемой мощностьюУменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграциизаставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn ирассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза ихобъемы изменяются в 8 раз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
