Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции по ВМСС - файл Глава 3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ.doc


Загрузка...
Лекции по ВМСС
скачать (35218.7 kb.)

Доступные файлы (18):

Глава 10.doc8030kb.25.01.2005 11:05скачать
Глава 11 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ.doc2232kb.28.01.2005 20:28скачать
Глава 12.doc4356kb.29.01.2005 18:29скачать
Глава 13.doc745kb.09.03.2005 15:11скачать
Глава 14.doc605kb.11.03.2005 15:19скачать
Глава 15.doc243kb.11.03.2005 15:35скачать
Глава 16.doc498kb.11.03.2005 15:43скачать
Глава 2.doc2062kb.24.02.2005 19:16скачать
Глава 3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ.doc2589kb.24.02.2005 20:00скачать
Глава 4.doc1726kb.02.03.2005 20:36скачать
Глава 5 ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ.doc1113kb.04.03.2005 13:56скачать
Глава 6.doc1177kb.04.03.2005 18:09скачать
Глава 7 ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ.doc918kb.09.03.2005 14:44скачать
Глава 8.doc6796kb.25.01.2005 19:33скачать
Глава 9.doc4463kb.25.01.2005 18:23скачать
ОГЛАВЛЕНИЕ.doc45kb.11.03.2005 19:02скачать
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.doc41kb.04.03.2005 14:10скачать
учебник_введение.doc53kb.25.01.2005 11:37скачать

Глава 3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Глава 3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ

3.1. Классификация элементов и узлов ЭВМ

При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполне определенным операциям пре­образования информации, заложенным в программах пользова­телей.

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.

В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразование входной информации Х в выходную У (см. рис. 2.1).

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 интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схе­мы (СБИС). В ближайшем будущем следует ожидать появления ульт­рабольших 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. При импульсном способе пред­ставления сигналов единичному значению некоторой двоичной пере­менной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряже­ния), нулевому значению — отсутствие импульса (рис. 3.1, а). Дли­тельность импульсного сигнала не превышает одного такта синхроим­пульсов.

^ При потенциальном или статическом представлении сигналов единичное значение двоичной переменной отображается высоким уров­нем напряжения, а нулевое значение — низким уровнем (рис. 3.1, б).

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, т. е. разряд за разрядом. Этот вид представления и передачи данных требует весь­ма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).



Рис. 3.1. Представление информации в ЭВМ: а — импульсные сигналы; б — потенциальные сигналы

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).

В каждой ЭВМ имеются специальные блоки, формирующие сиг­налы тактовой частоты, серии синхронизирующих и управляющих сигналов, которые координируют работу всех схем ЭВМ. Интер­вал времени между импульсами основной частоты называется так­том. Длительность такта является важной характеристикой ЭВМ, определяющей ее потенциальную производительность. Время вы­полнения любой операции ЭВМ связано с определенным числом тактов. Простейшие логические элементы преобразуют входные сигна­лы в соответствии с элементарными логическими функциями, рас­смотренными в п. 2.4. 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.

^ 3.2. Комбинационные схемы

Обработка входной информации X в выходную У (см. рис. 2.1) в любых схемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифро­выми автоматами двух видов: комбинационными схемами и схемами с памятью.

Комбинационные схемы (КС) это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у1, у2,..., ут) в любой момент дискретного времени од­нозначно определяются совокупностью входных сигналов X=(x1, х2,..., хn), 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 же при поступлении входных сиг­налов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие. Преобразование информации однознач­но описывается логическими функциями вида Y = f(X).

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. Примером построения нерегулярной структуры может служить разработка схе­мы в примере 2.16.

В практике проектирования ЭВМ накоплен огромный опыт по син­тезу различных схем. Многие регулярные структуры положены в ос­нову построения отдельных ИС малой и средней степени интеграции или отдельных функциональных частей БИС и СБИС. Из регуляр­ных комбинационных схем наиболее распространены дешифраторы,

шифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, комму­таторы и др. •

Рассмотрим принципы построения подобных регулярных струк­тур.

Дешифраторы (ДШ) — это комбинационные схемы с п входами и т = 2n выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигна­лов. Например, разработка структуры ДШ для n=3 согласно мето­дике, изложенной в п. 2.4, позволяет получить таблицу истинности (табл. 3.1) и логические зависимости.

^ Таблица 3.1 Таблица истинности дешифратора



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



На рис. 3.2 представлены структурная схема ДШ, построенная в базисе (И, НЕ), и условное ее обозначение на принципиальных элект­рических схемах ЭВМ. Кружочки у линий, выходящих из логических элементов, указывают на инверсию функций, реализуемых элемен­тами.

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



Рис. 3.2. Структурная схема дешифратора (а) и обозначение дешифратора на принципиальных электрических схемах (б)
^ Таблица 3.2 Таблица истинности шифратора



Логические зависимости шифратора:





Рис. 3.3. Структурная схема шифратора (а) и обозначение шифратора на принципиальных электрических схемах (б)

Обратим внимание, что табл. 3.1 и 3.2 во многом похожи, входы и выходы в них поменялись местами. Состояния входов табл. 3.2 содер­жат только по одному единичному элементу. Другие произвольные комбинации входов недопустимы.

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

Таблица истинности (табл. 3.3) отражает логику работы i-го раз­ряда схемы сравнения при сравнении двух векторов — А и В. На рис. 3.4 показана структурная схема компаратора.

^ Таблица 3.3 Таблица истинности компаратора



Логическая зависимость компаратора:



На схеме 3.4, помимо выхода Y2, фиксирующего равенство значе­ний разрядов, показаны выходы Yl и Y3 соответствующие сигналам «больше» и «меньше».



Рис. 3.4. Структурная схема компаратора (а) и обозначение компаратора на принципиальных электрических схемах (б)

Комбинационный сумматор. Принципы построения и работы сум­матора вытекают из правил сложения двоичных цифр (см. 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.

Сначала рассмотрим сумматор, обеспечивающий сложение двух двоичных цифр а1 и b1 считая, что переносы из предыдущего разряда не поступают. Этой логике отвечает сложение младших разрядов дво­ичных чисел. Процесс сложения описывается таблицей истинности (табл. 3.4) и логическими зависимостями (3.2), где Siфункция одно­разрядной суммы и Рiфункция формирования переноса. Перенос формируется в том случае, когда а1=1 и bl=1.

^ Таблица 3.4 Таблица истинности комбинационного полусумматора



Логические зависимости:



Зависимости (3.2) соответствуют логике работы самого младше­го разряда любого сумматора. Структурная схема одноразрядного сумматора (полусумматора) представлена на рис. 3.5.



Рис. 3.5. Структурная схема полусумматора (а) и обозначение полусумматора(б)

Логические зависимости полусумматора Si и компаратора (3.1) очень похожи, так как они инверсны по отношению друг к другу.

Уравнения, положенные в основу одноразрядного сумматора, ис­пользуются и при построении многоразрядных сумматоров. Логика работы каждого разряда сумматора описывается табл. 2.2, которую можно считать его таблицей истинности.

Таблица истинности сумматора, учитывающего сигналы перено­са, отличается от таблицы полусумматора (см. табл. 3.4) дополни­тельным входом р — переносом из предыдущих разрядов.

Исходные логические зависимости, формируемые по табл. 2.2, имеют следующие совершенные ДНФ:



Преобразование этих выражений приводит к следующим зависи­мостям:



В приведенных выражениях индексы у переменных в правых час­тях уравнений опущены.


Рис. 3.6. Структурная схема одного разряда комбинационного сумматора: а - структурная схема одного разряда; 6 - условное изображение

Из анализа логических зависимостей видно, что структурная схе­ма i-го разряда сумматора требует включения в свой состав трех схем сравнения для формирования разрядной суммы и шести схем совпаде­ния (рис. 3.6).

Структурная схема многоразрядного комбинационного суммато­ра на электрических схемах изображена на рис. 3.7.



Рис. 3.7. Структурная схема многоразрядного комбинационного сумматора
^ 3.3.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,...,ym) в схемах дан­ного типа формируются не только по совокупности входных сигна­лов X = (х12,...,хп), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q1,q2,...,qk)- При этом различают текущий дискретный момент времени t и последующий (t+1) момент времени (рис. 3.8).



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 в современных ЭВМ используют триггеры. В связи с успехами микроэлектроники в схемах основных устройств ЭВМ (процессоров и оперативной памя­ти) перестали применяться в качестве запоминающихся элементов схемы, использующие остаточную намагниченность — ферритовые сердечники. Самая простейшая схема триггера может быть синтези­рована по общим правилам (см. п. 2.4.4).

Пример 3.1. Построить автомат памяти — триггер, имеющий вход R (Reset — сброс), для установки элемента в «нулевое состояние» и вход S (Set — 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 R или S.

Условия работы триггера могут быть показаны в виде таблицы пере­ходов, представляющей собой модификацию таблицы истинности. Наи­более простой вид она имеет для автомата, описываемого системой урав­нений автомата Мура.

Таблица 3.5 ^ Условия работы триггера



Содержание таблицы расшифровывается следующим образом. Эле­мент памяти может сохранять значение qt=0 или qt=1 в зависимости от установки ранее установленного состояния. При отсутствии вход­ных сигналов на входах R и S (R=0 и S=0) значения qt+l в первой строке таблицы в точности повторяют значения qt. При поступлении сигнала R=l (сигнала установки «нуля») элемент независимо от сво­его состояния принимает значение, равное нулю, дt+1 =0. Если же на вход S поступает сигнал установки «единицы» (S=1), то qt+1=l неза­висимо от предыдущего состояния qt. Одновременное поступление сигналов на входы R и S является запрещенной ситуацией, так как она может привести к непредсказуемому состоянию. В схемах фор­мирования сигналов R и S должны быть предусмотрены блокировки, исключающие их совпадения, S=R=1.

Для таблицы переходов (см. табл. 3.5) может быть построена ди­аграмма Вейча (табл. 3.6).

^ Таблица 3.6 Диаграмма Вейча для таблицы переходов триггера



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:

(3.4)

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



позволяет еще более упростить уравнение триггера:



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-триггера. В этой схеме следует только соеди­нить выход qt+1 со входом qt (рис. 3.9). Эта связь отмечена штрихо­вой линией.

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 (см. табл. 3.5), 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-, Т-, JK-, D-триггеры и це­лый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-триггеров [4].



Рис. 3.9. Схема асинхронного RS-триггера: а — схема;

б — обозначение на принципиальных электрических схемах;

в — временная диаграмма

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, Q=l;

• Т (Toggle —релаксатор) — счетный вход триггера;

• J (Jerk — внезапное включение) — вход установки JK-триггера в единичное состояние, Q=l;

• 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.



Рис. 3.10. Синхронные RS-триггеры

Двухкаскадная схема RS-триггера (см. рис. 3.10, б) нашла наибо­лее широкое применение для построения n-разрядных схем запомина­ния — всевозможных регистровых схем. Пунктирными линиями на схеме указаны дополнительные точки подключения сигналов уста­новки и сброса.

На рис. 3.11 приведена схема Т-триггера или, иначе говоря, триг­гера со счетным входом. При значении Xt=0 триггер сохраняет свое ранее установленное состояние — режим хранения состояния, при Хt=1 триггер переходит в противоположное состояние. Таблица переходов (табл. 3.7) и диаграмма работы (см. рис. 3.11, в) отражают динамику работы этого элемента.



Рис. 3.11. Схема триггера со счетным входом: а — функциональная схема; б — условное обозначение; в — временная диаграмма

^ Таблица 3.7 Таблица переходов Т-триггера



Используя таблицу переходов, можно получить логическую фун­кцию, реализуемую Т-триггером:

(3.7)

Нетрудно видеть, что зависимость (3.7) очень похожа на функцию (3.2), выведенную для одноразрядного комбинационного полусумма­тора. На рис. 3.11, а показано, как двухтактный RS-триггер преобра­зуется в Т-триггер.

Наиболее сложным типом триггера является JK-триггер. Он, по существу, является объединением двухтактного RS- и Т-триггеров. Этому соответствует его таблица переходов (табл. 3.8).

^ Таблица 3.8 Таблица переходов JK-триггера



Если первые три строки таблицы переходов полностью повторяют соответствующие строки табл. 3.5, то последняя строка, с запрещенной комбинацией для RS-триггера, соответствует режиму переключения Т-триггера (см. табл. 3.7). Схема JK-триггера изображена на рис. 3.12.



Рис. 3.12. JK-триггер: а — функциональная схема; б — условное обозначение

D-триггер обычно строится на основе двухтактного RS- или JK-триггера. Он предназначается для хранения состояния (1 или 0) на один период тактовых импульсов (с задержкой на 1 такт). Его переходы от­ражены в табл. 3.9. На рис. 3.13, а и б представлены варианты постро­ения D-триггера, а на рис. 3.13, в — его условное обозначение.

^ Таблица 3.9 Таблица переходов D-триггера





Рис. 3.13. D-триггер: а — функциональная схема на основе RS-триггера; б — функциональная схема на основе JK-триггера; в — условное обозначение

Все перечисленные элементы памяти позволяют хранить одну еди­ницу информации — бит или одну двоичную цифру.

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. 3.14 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 (Xiна вход Si, и Xi, — на вход Ri ), т.е. прямое и инвер­сное значения кода подаются в противофазе.

На рис. 3.15 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 этих сиг­нала поступают одновременно, то считывается парафазный код хра­нящейся информации. Более сложная логика на входе и выходе запо­минающих элементов позволяет строить сдвигающие регистры.





Рис. 3.14. Схема регистра на RS-триггерах: а — функциональная схема; б — условное обозначение регистра



Рис. 3.15. Схема выдачи информации из регистра
Счетчик это узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде мно­горазрядного двоичного числа. Счетчик, состоящий из n-триггеров, позволяет подсчитывать до N сигналов, связанных зависимостью

п = Iog2 N или N = 2n.

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. На рис. 3.16 показана схема трех разрядов суммирующе­го счетчика, построенного на Т-триггерах. Логика его работы пред­ставлена в табл. 3.10.

^ Таблица 3.10 Таблица переходов трехразрядного счетчика





Рис. 3.16. Организация счетчика на Т-триггерах: а — функциональная схема;

б — условное обозначение счетчика

Сумматор это 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.

Для построения сумматоров чаще применяют сумматоры комби­национного типа. Логика работы такого сумматора была представ­лена данными табл. 2.2. Обычно у комбинационного сумматора на входе и выходе имеются регистры для хранения и преобразования кодов операндов и результата (рис. 3.17).



Рис. 3.17. Упрощенная схема сумматора ЭВМ

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.

^ 3.4. Проблемы развития элементной базы

Несомненно, что 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. Эле­ментная база служит показателем технического уровня развития стра­ны, общества, цивилизации. 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 (БИС) и сверхбольшие интег­ральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и про­изводства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в 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 400—600 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200—400 мм2 — для схем памяти. Минимальный топологический раз­мер (толщина линий) при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для срав­нения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на тол­щине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алю­миниевых проводников в микросхемах повсеместно начинают приме­нять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают 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 — и она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное обору­дование, размещаемое в «чистых помещениях класса 1», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в зам­кнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфеpa создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении 10-4 Торр [3].

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 (комплементарные схемы, т.е. со­вместно использующие п- и р-переходы в транзисторах со структу­рой «металл — окисел — полупроводник»).

Известно, что W=U*I. Напряжение питания современных микро­схем составляет 3 — 2V. Появились схемы с напряжением питания, близким к IV, 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. На рис. 3.18 показано, что ис­пользование максимальных частот работы возможно только в микро­схемах малой и средней интеграции. Максимальная частота fmax =1011 -1012Гц доступна очень немногим материалам: кремнию (Si), арсениду галлия (GaAs) и некоторым другим. Поэтому они чаще всего и используются в качестве подложек в микросхемах.



Рис. 3.18. Зависимость частоты /от степени интеграции К

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и уль­траСБИС 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 высокую степень 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 fmах, при этом Wp=Wn=Q. Очень интересны результаты по использованию «теплой сверхпроводимости». Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150°С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. Тематика исследовательс­ких работ и их результаты в этом направлении являются закрытыми. Однако с уверенностью можно сказать, что появление таких элемен­тов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

Внедрение новых технологий производства микропроцессоров ис­пытывает и экономические проблемы. Например, строительство но­вого завода по производству микросхем с 0,13-микронной технологи­ей обходится от 2 до 4 млрд долл. Это заставляет искать новые аль­тернативные пути построения будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них сле­дует считать:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработку квантовых компьютеров;

• разработку оптических компьютеров.

Укажем основные принципы их построения.

^ Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опы­ты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетическо­го кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Hewlett-Packard и Ка­лифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную воз­можность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана (http://www.zdnet.ru/printreviews.asp?ID=89). Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер в 100 млрд раз будет экономичнее со­временных микропроцессоров.

^ Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры. Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона — искусст-венной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Ф. Розенблат. Он указал, что структуры, обладающие свойства­ми мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преиму­ществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут ис­кать нужные решения посредством самопрограммирования, на осно­ве соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, кото­рые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС. Принцип построения и работы перцептрона описан в п. 9.2.

^ Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь раз­личные уровни энергии: Е0, Е1,...,Еп. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кван­та электромагнитной энергии — фотона. При излучении фотона осу­ществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные пере­ходы с одного уровня на другой.

Основным же строительным блоком квантового компьютера слу­жит qubit — Quantum Bit, который может иметь большое число состо­яний. Для таких блоков определен логически полный набор элемен­тарных функций. Известны эксперименты по созданию RISC-процес­сора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты созда­ния петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров (http:// www. submarine. ru/print.cfm?Id=42).

^ Оптические компьютеры. Идея построения оптического компью­тера давно волнует исследователей. Многие устройства ЭВМ исполь­зуют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно ра­ботают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способ­ность света параллельно распространяться в пространстве дает воз­можность создавать параллельные устройства обработки. Это позво­лило бы на много порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессо­ров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлект-ронных и оптонейронных отдельных устройств.

Каковы же состояние и прогноз развития микропроцессоров в на­стоящее время?

В начале 2000 г. основные конкуренты по производству интеграль­ных 32-разрядных микросхем (архитектура IA-32) фирмы Intel и AMD преодолели рубеж/=1 ГГц.

Фирма Intel выпустила Pentium III (ядро Coppermine — 0,18 мкм техпроцесс, кэш L2 — 256 Кбайт, формфактор — Slotl). В ближай­шем будущем следует ожидать выхода микропроцессора Willamette (переход на техпроцесс — 0,13 мкм, кэш L1 — 256 Кбайт, кэш L2 — 0,5-1 Мбайт, формфактор — Soket 423, частота — 1,5 ГГц).

Последним представителем IA-32 объявлен микропроцессор Foster, серверный вариант Willamette. Здесь предполагается значительное улучшение всех характеристик; его выпуск намечен на конец 2001 г.

Микропроцессор Merced — первый 64-разрядный микропроцессор (IA-64) (трехуровневая кэш-память — 2—4 Мбайта, техпроцесс — 0,18 мкм). Экспериментальная версия этого изделия называется Itanium.

Коммерческой версии Merced будет присвоено имя McKinley. Ожидается, что ее характеристики будут примерно в 2 раза выше Itanium.

Фирма AMD продемонстрировала свой микропроцессор Athlon (ядро Thunderbild, кэш L1 — 128 Кбайт, кэш L2 — 512 Кбайт, форм-фактор — Soket A, Slot A — промежуточный). Развитием этого на­правления следует считать микропроцессор Mustang. Интенсивно разрабатывается StedgeHammer — первый 64-разрядный микропро­цессор фирмы AMD. Его частота работы — выше 1,5 ГГц.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время воз­можности микроэлектроники еще не исчерпаны.

Контрольные вопросы

1. Перечислите признаки классификации элементов и узлов ЭВМ.

2. Для каких целей используются параллельные и последовательные сигналы?

3. Каково назначение триггеров в схемах ЭВМ?

4. Чем объясняется многообразие типов триггеров?

5. Поясните принципы построения дешифратора и шифратора.

6. По схеме сумматора (см. рис. 3.6) поясните, как формируется и используется сигнал переноса из одного разряда в другой.

7. Поясните работу счетчика импульсов.

8. Какова зависимость плотности интеграции в интегральных схе­мах и тактовой частоты ее работы?

9. Какие методы используют для уменьшения рассеиваемой и потреб­ляемой мощности в ИС?

10. Охарактеризуйте перспективы развития элементной базы совре­менных ЭВМ.

11. Перечислите альтернативные пути развития компьютеров буду­щих поколений.






Скачать файл (35218.7 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru