Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

Ствах на импульсно-потенциальных элементах потенци­ альными обычно являются информационные сигналы, а импульсными — управляющие.

Использование в импульсно-потенциальной системе элементов двух различных видов сигналов позволяет лег­ ко реализовать как комбинационный, так и накапливаю­ щий способ обработки информации.

Импульсная система элементов основана на примене­ нии динамических триггеров (выходные сигналы кото­ рых имеют вид, показанный на рис. 3-1, б) и импульсных клапанов. Передача информационных сигналов в этой системе должна быть строго синхронизирована в преде­ лах долей длительности сигнала. В противном случае на­ рушится правильное взаимодействие информационных сигналов в логических элементах. Занесение информации в триггеры может быть осуществлено однотактным и двухтактным способами.

В качестве критериев сравнения различных систем элементов целесообразно использовать следующие пока­ затели: быстродействие, надежность и аппаратные зат­ раты.

Количественно аппаратные затраты можно оценить, лишь построив различные типовые устройства ЦВМ из различных конкретных комплексов элементов, принадле­ жащих к различным системам. Однако, исходя из об­ щих свойств систем элементов, можно качественно срав­ нить аппаратные затраты для типовых узлов обработки информации следующим образом: реализация типовых узлов в потенциальной системе элементов потребует приблизительно в полтора раза больше аппаратуры, чем их реализация в импульсной или импульсно-потенциаль­ ной системе элементов.

Элементы всех сравниваемых систем приблизительно одинаковы по быстродействию и обладают сходными логическими возможностями, но потенциальная система элементов обеспечивает более высокую надежность ра­ боты устройств по сравнению с импульсно-потенциаль­ ной системой, которая чувствительна к импульсным по­ мехам, и по сравнению с импульсной системой элемен­ тов, где достижение высокой надежности затруднено жесткими требованиями в отношении синхронизации сигналов.

141

3-7. О С Н О В Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И С И С Т Е М Л О Г И Ч Е С К И Х Э Л Е М Е Н Т О В

В ЦВМ, построенных на дискретных радиокомпонен­ тах, используются импульсно-потенциальные и потен­ циальные системы элементов, а в ЦВМ на интегральных микроэлектронных схемах — главным образом потенци­ альные системы элементов. Импульсные элементы из-за указанных выше недостатков не находят примене­ ния в современных вычислительных машинах и по­ этому не будут рассматриваться в последующих па­ раграфах.

Комплекс логических элементов ЦВМ характеризу­ ется следующими основными показателями:

1) тип и функциональный состав комплекса эле­ ментов;

2)особенности конструкции и технологии изготовле­ ния элементов;

3)надежность и стоимость элементов;

4)основные электрические параметры элементов. Как было показано выше, устройство ЦВМ можно

построить с помощью одного из функционально полных наборов логических элементов.

В большинстве современных систем логических эле­ ментов в качестве типовых используются элементы, вы­ полняющие такие логические операции, как И—НЕ, ИЛИ—НЕ, И—ИЛИ—НЕ и др. Хотя, например, комп­ лекс элементов, содержащий всего один логический эле­ мент И—НЕ, будет функционально полным, применение такого комплекса для построения устройств ЦВМ при­ ведет к излишним аппаратным затратам. Целесообраз­ но, чтобы комплексы логических элементов были в ра­ зумных пределах функционально избыточными, с тем чтобы проектируемые устройства содержали меньше об­ орудования.

При выборе комплекса логических элементов для по­ строения различных по назначению ЦВМ большое зна­ чение имеют надежность и стоимость элементов. Они определяются в первую очередь схемными, конструктив­ ными и технологическими особенностями логических элементов.

Свойства комплекса логических элементов могут быть описаны следующими электрическими парамет­ рами:

142

питающие напряжения и сигналы для представления логического О и логической 1;

коэффициенты объединения по входам И и ИЛИ; нагрузочная способность (коэффициент разветвле­

ния по выходу); помехоустойчивость; рассеиваемая мощность; быстродействие.

Рис. 3-14. Передаточные характеристики клапанов с усилением по напряжению без инвертирования (а) и с инвертированием входного сигнала (б).

Рассмотрим подробнее основные электрические па­ раметры логических элементов.

Питающие напряжения и сигналы. Комплекс харак­ теризуется количеством питающих напряжений и их но­ минальными величинами. При этом, как правило, указы­ ваются допуски на величину питающих напряжений, при которых нормальная работа цифровых логических схем не нарушается.

Для логических элементов указываются полярность и амплитуда (или уровень) входных информационных сигналов, а также полярность и амплитуда (или уро­ вень) соответствующего выходного сигнала логического элемента. Для удобства изложения в дальнейшем будем считать, если это специально не оговорено, что логиче­ скому 0 соответствует низкий уровень напряжения (или отсутствие импульса), а логической 1— высокий уровень напряжения (или положительный импульс).

143

Обычно в описании комплекса логических элементов задаются максимальные величины сигнала (уровня или амплитуды) для 0 и минимальные — для 1, при которых логические элементы работают без ошибок.

Ряд свойств логических элементов хорошо описыва­ ется передаточными характеристиками (рис. 3-14). Пе­ редаточные характеристики представляют собой зависи­ мость выходного напряжения НВых логического элемен­ та от его входного напряжения UBX.

На передаточные характеристики логических элемен­ тов влияют изменения величин напряжения питания, па­ раметров компонентов схемы, условий нагрузки схемы, температуры окружающей среды и т. д.

Передаточные характеристики, построенные для на­ ихудших сочетаний разбросов параметров и условий ра­ боты, позволяют судить об устойчивости работы логи­ ческих элементов в реальных схемах.

Коэффициент объединения по входу показывает мак­ симально возможное число входов логического элемента. Увеличение числа входов связано с усложнением схемы элементов и приводит к определенному ухудшению дру­ гих параметров элемента, в частности таких, как по­ мехоустойчивость, быстродействие и т. п.

Различают два коэффициента объединения по входу: m — коэффициент объединения по входу И;

I — коэффициент объединения по входу ИЛИ.

Коэффициент разветвления по выходу показывает, на сколько логических входов может быть одновремен­ но нагружен выход данного логического элемента. Для транзисторных логических элементов фактором, ограни­ чивающим коэффициент разветвления, является коэф­ фициент усиления по току выходных транзисторов. По­ этому для повышения коэффициента разветвления вы­ ходные цепи логических элементов содержат несколько транзисторов.

Помехоустойчивость. Помехой называется самопро­ извольное изменение уровня сигнала вследствие ряда причин, например:

пульсация напряжения питания; нарушение временных соотношений в логических це­

пях и наложение фронтов логических сигналов; действие паразитных емкостей и индуктивностей сое­

динительных проводов; влияние внешних электромагнитных полей и релей-

144

но-контактной аппаратуры, обслуживающей данное электронное устройство.

Логические элементы должны обладать устойчи­ востью к действию помех, определяемой величиной до­ полнительного сигнала, который может быть добавлен к входному сигналу, прежде чем выходное напряжение станет больше максимального сигнала 0 или меньше ми­ нимального сигнала 1.

Предельные значения входного сигнала, при которых выходной сигнал элемента может быть равен максималь­ ному сигналу 0 или минимальному сигналу 1, называются пороговыми (рис. 3-14).

В реальной цифровой системе могут возникнуть по­ мехи, вызывающие изменение величины сигнала на вхо­ де элемента, вследствие чего выходное напряжение логического элемента может выйти за допустимые гра­ ницы и стать или больше максимального сигнала 0, или меньше минимального сигнала 1.

Для того чтобы существовал запас в худших случа­ ях, когда входные сигналы равны максимальному сиг­ налу 0 или минимальному сигналу 1, входной пороговый

на рис. 3-17).

Рассеиваемая мощность. К числу других важных па­ раметров, которые обычно используются для оценки свойств логических элементов, относится величина рас­ сеиваемой мощности. Рассеиваемая логическим элемен­ том мощность указывается обычно для рекомендован­ ных питающих напряжений, причем указывается или средняя рассеиваемая мощность, или мощность, рас­ сеиваемая для каждого логического состояния. Если мощность, рассеиваемая элементом, зависит от нагруз­ ки, подсоединяемой к его выходу, то в этом случае обыч­ но указывается величина рассеиваемой мощности на эк­ вивалентную единичную нагрузку.

Быстродействие логических элементов является од­ ним из важнейших параметров и характеризуется сред­ ним временем задержки распространения сигнала

t3cp= *31 ~ ^ 32-, Где tai — задержка относительно передне­

го фронта входного напряжения фронта выходного на­ пряжения, а t32— задержка относительно заднего фрон-

та входного напряжения соответствующего фронта выходного напряжения. Измерение времени задержки распространения производится обычно на уровне 50% перепада сигнала между уровнями максимального сиг­ нала 0 и минимального сигнала 1 (рис. 3-15)-

Быстродействие логи­ ческих элементов зависит в первую очередь от ре­ жима работы входящих в них транзисторов. В боль­ шинстве логических эле­ ментов с усилением по на­ пряжению транзисторы работают в режиме насы­ щения, при этом транзис­ тор переключается из вы­ ключенного состояния в состояние насыщения, обеспечивая получение хорошо различимых уров­

ней логической единицы и логического нуля и высокую помехоустойчивость.

Получение большого быстродействия обеспечивают элементы, схемы которых работают без насыщения вхо­

ских элементов путем простого суммирования ^З.ср на всех последовательно включенных элементах.

Рассмотрим кратко особенности выполнения логиче­ ских операций в импульсно-потенциальной системе эле­ ментов на дискретных радиокомпонентах.

Импульсно-потенциальные элементы, как следует уже из их названия, используют два вида представле­

146

ния информационных сигналов: импульсный и потенци­ альный. Благодаря этому импульсно-потенцальные эле­ менты с их гибкой системой связи и простотой реализации различных схем, построенных на основе примене­ ния комбинационного и накапливающего способов обра­ ботки информации, довольно широко применяются в ЦВМ второго поколения.

Логика импульсно-потенциальных элементов основа­ на на реализации следующих булевых функций:

(3-16)

Набор элементов, реализующий данные булевы функ­ ции, является функционально полным.

Система импульсно-потенциальных элементов имеет, как правило, в своем составе клапаны потенциальные и импульсно-потенциальные, триггеры с импульсными входами и потенциальными выходами, потенциальные инверторы, формирующие элементы и линии задержки сигнала.

Импульсно-потенциальные клапаны предназначены для реализации конъюнкции двух аргументов, один из которых представляется импульсным, а второй — потен­ циальным сигналами, а также для преобразования по­ тенциального сигнала в импульсный, что часто требует­ ся для занесения информации в триггер. Таким обра­ зом, импульсно-потенциальные клапаны являются эле­ ментами связи между потенциальными клапанами, инверторами и триггерами, выполняющими одновременно функции логической переработки информационных сиг­ налов.

Импульсно-потенциальный клапан состоит из диода и трансформатора, по обмотке которого протекает ток только во время поступления импульса при наличии на другом входе клапана потенциала, соответствующего значению логического 0. При этом на выходе клапанов во вторичной обмотке трансформатора возникает им­ пульс, соответствующий логической 1 (см. рис. 3-12). Для увеличения числа входов импульсно-потенциально­ го клапана используется трансформатор с несколькими первичными и одной вторичной обмотками.

Часто импульсно-потенциальный элемент включает в себя схему одновибратора и, таким образом, имеет

выход не только импульсный, но и потенциальный, что позволяет организовать более гибкую систему межэле­

ментных связей.

Потенциальные элементы, построенные на дискрет­ ных радиокомпонентах, отдельно или совместно с им­ пульсными давно используются в различных цифровых устройствах. Однако в последнее время в связи с бур­ ным развитием микроэлектроники и созданием логичес­ ких элементов в микроэлектронном исполнении потенци­ альная система элементов получила исключительно ши­ рокое применение при построении современных вычисли­ тельных устройств. Объясняется это в первую очередь тем, что технология микроэлектроники не позволяет по­ ка производить достаточно качественные конденсаторы больших емкостей и индуктивности, необходимые для построения импульсно-потенциальных систем. Современ­ ные логические элементы потенциальной системы — это прежде всего изделия микроэлектроники, поэтому крат­ ко рассмотрим основные методы микроминиатюризации.

3-9. М ЕТ О Д Ы М И К Р О М И Н И А Т Ю Р И З А Ц И И Э Л Е М Е Н Т О В

В настоящее время основной тенденцией развития логических элементов является микроминиатюризация, т. е. стремление максимально снизить их объем, вес, по­ требляемую мощность и стоимость при одновременном существенном повышении надежности и быстродействия.

Методы микроминиатюризации электронных схем раз­ виваются на основе широкого использования достиже­ ний в технологии микроэлектроники. Микроэлектрони­ кой называется область радиоэлектроники, охватываю­ щая схемотехнические и конструкторско-технологичес­ кие вопросы создания микроминиатюрных электронных схем и устройств в целом при помощи специальных тех­ нологических процессов. Различают следующие техно­ логические способы производства изделий микроэлек­ троники: микромодульная технология, тонкопленочная технология, интегральная технология и гибридная тех­ нология.

148