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

3) межсоединения, для которых /Д>>0,05, должны рассматри­ ваться как длинные линии передачи с распределенными пара­ метрами.

Соединительные линии длиной более 0,5—1 м в системах, по­ строенных на интегральных схемах ТТЛ, должны уже рассматри­ ваться как длинные линии передачи с распределенными парамет­

При таком соотношении быстродействия соединяемых схем и длины межсоединений в соединительных линиях передачи возника­ ют помехи:

1) вследствие явлений отражения из-за несогласования волно­ вого сопротивления линии и входных и выходных сопротивлений интегральных схем, что может приводить к неправильному функ­ ционированию и снижению быстродействия системы;

2) из-за перекрестных наводок между соседними проводника­ ми, которые также могут приводить к неправильной работе.

При проектировании устройств и систем на интегральных схе­ мах необходимы оценка уровня помех из-за отражений и пере­ крестных наводок и определение условий, при которых обеспечи­ вается достаточный для надежной работы запас от помех, воз­ никающих в линиях передачи.

Снижение помех из-за отражений и перекрестных наводок яв­ ляется одной из основных задач, решаемых при выборе системы

большее значение при увеличении длины линии, и поэтому они осо­ бенно важны при построении систем, объединяющих большое ко­

передачи сигналов на расстояния, превышающие допустимую длину линий, обеспечиваемую первой системой монтажа, с контролируе­

мым уровнем помех в линиях передачи.

Межсоединения интегральных схем могут выполняться одиноч­ ными проводниками или с помощью специальных соединительных линий с контролируемыми параметрами. Однако при использова­ нии одиночных проводников вследствие их высокой индуктивности допускаемая длина межсоединения при том же уровне помех из-за монтажа оказывается в 2—3 раза меньше, чем при использова­ нии линий, имеющих обратные провода, расположенные на близ­ ком расстоянии от сигнальных проводов. Такие линии с контроли­ руемыми параметрами могут быть выполнены в виде микрополосковых линий, получаемых с помощью многослойного печатного монтажа с внутренними слоями земли и питания; коаксиальных кабелей, витых пар проводов и т. п. Из-за небольшой индуктивно­ сти таких соединительных линий их длина по условиям помехо­ устойчивости может быть значительно большей, чем длина оди­ ночных проводников. Параметры этих линий (емкость, индуктив­ ность и определяемое ими характеристическое сопротивление ли­ нии) постоянны в любом сечении линии, сохраняются неизменными в процессе эксплуатации, не зависят от расположения в общей си­

239

стеме и могут быть легко рассчитаны Это облегчает определение влияния линий связи на искажения сигналов, что необходимо при проектировании быстродействующих систем.

Для первой системы монтажа целесообразно использовать ^микрополосковые линии, изготавливаемые с помощью многослойного

Рис. 3-79. Четырехслойный печатный мон­ таж с микрополосковыми линиями пере­ дачи.

5 — сквозное отверстие с металлическим покры­ тием.

печатного монтажа с внутренними слоями земли и питания, кото­ рый обеспечивает высокую плотность компоновки и монтажа ин­ тегральных схем. Поперечное сечение четырехслойной печатной па­ нели с микрополосковыми линиями передачи показано на рис. 3-79. Первая система монтажа используется обычно в панелях устройств. Размеры панели, правила проложения линий и длина линий выби­ раются таким образом, чтобы помехами из-за отражений в линиях можно было пренебречь.

При построении систем, включающих ряд вычислительных уст­ ройств, длина соединительных линий между устройствами, как пра­ вило, превышает длину линии, отражениями в которой можно пре­ небречь. Поэтому здесь необходимо использовать вторую систему

диться с учетом распределенных параметров линий передачи. Пример типичных искажений сигналов в несогласованной

в линиях передачи на выходе линии возникают колебания с от­ рицательными и положительными выбросами значительной ампли­ туды. Отрицательные выбросы на входе приемных клапанов, вклю­ ченных на выходе линии, могут вывести их из строя, а положи­ тельные выбросы привести к ложному срабатыванию этих клапанов.

При передаче фронта сигналов на входе линии имеется сту­ пенчатое нарастание сигнала, что может вызывать увеличение за­ держки распространения сигнала через приемные клапаны, вклю­ ченные на входе линии, или же многократное срабатывание этих схем, если ступень напряжения находится на пороге срабатывания клапана.

В результате таких искажений сигналов снижается запас от помех передаваемых сигналов и, следовательно, надежность систе-

240

мы. Поэтому в этом случае необходимо вводить специальные це­ пи для согласования волнового сопротивления линии с входными сопротивлениями соединяемых схем в виде согласующих резисто­ ров на концах линий и фиксирующих диодов на входах приемных схем (рис. 3-81).

Для передачи сигналов при этом необходимо использовать специальные схемы передачи, обеспечивающие достаточную мощ­ ность и защиту от коротких замыканий, и специальные приемные схемы с высоким входным сопротивлением, что позволяет произво­ дить произвольное подключение приемных схем вдоль линии пе­ редачи.

Г л а в а ч е т в е р т а я

ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

4-1, И Е Р А Р Х И Ч Е С К А Я С Т Р У К Т У Р А П А М Я Т И Ц В М Т И П Ы О П Е Р А Т И В Н Ы Х ЗУ

Вычислительные и логические возможности вычисли­ тельной системы в значительной степени определяются характеристиками входящего в ее состав комплекса за­ поминающих устройств (ЗУ), предназначенных для за­ писи, хранения и выдачи информации. Память ЦВМ организуется в виде иерархической структуры запомина­ ющих устройств, обладающих различным быстродейст­ вием и емкостью (рис. 4-1). В общем случае комплекс

Внешние ЗУ

Рис. 4-1. Иерархическая структура памяти ЦВМ.

242

запоминающих устройств ЦВМ содержит: сверхопера­ тивное ЗУ (СОЗУ), оперативное ЗУ (ОЗУ), внешнее ЗУ с произвольным обращением, внешние ЗУ с последова­ тельным поиском информации. Порядок перечисления устройств соответствует убыванию их быстродействия и возрастанию емкости. Такой состав запоминающих устройств позволяет сочетать хранение больших объе­ мов информации с быстрым доступом к информации

впроцессе обработки.

Внастоящей главе будут рассмотрены принципы по­ строения оперативных и некоторых сверхоперативных ЗУ. Внешние ЗУ рассматриваются в гл. 6.

Оперативным ЗУ, или просто памятью, называют устройство, которое служит для хранения информации (данных, программ, промежуточных и конечных резуль­ татов обработки), непосредственно используемой в про­ цессе выполнения операций в арифметическом и логиче­

ском устройстве и устройстве управления процессора. В процессе обработки информации осуществляется тес­ ное взаимодействие процессора и оперативного ЗУ. Из оперативного ЗУ в процессор поступают команды про­ граммы и операнды, над которыми производятся преду­ смотренные командой операции, а из процессора в опе­ ративное ЗУ направляются для хранения промежуточ­ ные и конечные результаты обработки информации. Ха­ рактеристики ОЗУ непосредственно влияют на основные показатели вычислительной системы и в первую очередь на скорость ее работы.

Оперативное запоминающее устройство, как прави­ ло, состоит из множества одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий массив. Массив разделен на отдельные ячейки, каждая из которых пред­ назначена для хранения одного машинного слова. Ячей­ кам присваиваются определенные номера, называемые их адресами.

Емкость ОЗУ определяется количеством машинных слов или двоичных знаков, которые устройство может хранить одновременно. Операция записи слова в ячейку или считывание слова из ячейки по данному адресу на­ зывается обращением к ОЗУ. Время обращения и ем­ кость являются основными характеристиками ОЗУ. Чем больше емкость, тем технически труднее реализовать устройство с малым временем обращения.

При записи слова в ячейку ОЗУ ранее хранившееся

в ней слово стирается и на его место записывается но­ вое слово. При считывании информации из ячейки за­ писанное в ней слово должно сохраняться с тем, чтобы можно было при необходимости в процессе вычислений многократно обращаться к ячейке за одним и тем же словом.

В зависимости от свойств запоминающих элементов, используемых режимов их работы и особенностей схем считывание может происходить с разрушением или без разрушения информации, находящейся по данному ад­ ресу. В соответствии с этим ОЗУ делят на две группы: ОЗУ с разрушением информации при считывании и ОЗУ со считыванием без разрушения информации.

Особую группу составляют так называемые постоян­ ные ЗУ или ЗУ только для считывания информации. За­ несение или изменение информации в таком ЗУ требует изменения его электрической схемы. Постоянные ЗУ ши­ роко используются для хранения микропрограмм про­ цессора и каналов, а в специализированных ЦВМ — для хранения рабочих программ.

Для обеспечения возможности многократного считы­ вания содержимого ячейки ОЗУ, в которых информация при считывании разрушается, необходимо производить восстановление или регенерацию считанной информа­ ции. Мы будем называть временем обращения к ОЗУ продолжительное«, полного цикла записи или считыва­ ния одного слова, включая выборку нужной ячейки и ре­ генерацию слова в ячейке, если она производится. Вре­ менем выборки принято называть время, в течение кото­ рого заданная информация может быть извлечена из памяти.

В ОЗУ с неразрушающим считыванием сокращается время обращения при операции считывания, так как не нужна регенерация информации. Операция записи в ОЗУ как с разрушением, так и без разрушения информации при считывании состоит из поиска требуемой ячейки, стирания старой информации и записи новой.

Огромное влияние характеристик запоминающих устройств и особенно ОЗУ на общие характеристики вы­ числительных систем сделало необходимым проведение широких исследований различных физических и техноло­ гических принципов построения устройств для запоми­ нания двоичной информации.

244