uzluga.ru
добавить свой файл

Общая характеристика типовых элементов ЭВМ


Элементы ЭВМ выполняют функции простейших преобразователей информации. Они реализуют различные логические операции над сигналами входных двоичных переменных, а также обеспечивают запоминание, формирование и преобразование этих сигналов.

Функционально взаимосвязанные группы таких элементов образуют различные узлы ЭВМ, которые оперируют с многоразрядными двоичными кодами, например машинными словами или их частями. К числу типовых узлов ЭВМ относятся:

  • регистры, обеспечивающие хранение и некоторые преобразования многоразрядных кодов;

  • счетчики, предназначенные для подсчета числа входных двоичных сигналов;

  • дешифраторы, преобразующие входной многоразрядный код в сигнал на одном из выходов;

  • сумматоры, выполняющие арифметическое сум­мирование двоичных кодов.

Элементы и узлы являются основой для построения других, более сложных технических устройств ЭВМ.

Поступающие на вход элементов двоичные переменные (0 или 1) представляются такими физическими сигналами, которые принимают два хорошо различимых значения. Для этой цели применяются два способа: потенциальный и импульсный.



^ Рис.1. Формы представления двоичной информации

При потенциальном способе (рис.1а) двоичные цифры представляются различными уровнями напряжения, например низкому уровню UH соответствует «0», а высокому UB «1». Разность между этими уровнями называется логическим перепадом UЛ.

Статический режим работы элемента характеризуется постоянными уровнями напряжения на входе UBХ(0) , UBХ(1) и выходе UBЫХ(0) , UBЫХ(1) элемента, входными и выходными токами в состоя­ниях «0» и «1» (IBХ(0) , IBХ(1) , IBЫХ(0) , IBЫХ(1)), а также токами потребления от источника питания в каждом из этих состояний (IПОТ(0) , IПОТ(1)).

Динамический режим соответствует изменению этих уровней (от высокого к низкому или наоборот) и сопровождается протеканием переходных процессов.

При импульсном способе (рис.1б) двоичным переменным соответствует наличие (в случае 1) или отсутствие (в случае 0) импульса напряжения определенной длительности. Иногда двоичные цифры 0 и 1 представляются импульсами напряжения различной полярности.

Сигналы, показанные на рис.1, фиксируют значения двоичных переменных в определенные дискретные интервалы времени, называемые тактами. Для задания границ этих тактов (/ = 0, 1, 2, ...) в ЭВМ применяются специальные блоки, генерирующие такто­вые сигналы различных частот.

В зависимости от способа представления двоичной информации элементы ЭВМ делятся соответственно на потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные. Наибольшее распространение получили потенциальные элементы, которые отличаются технологичностью интегрального исполнения, меньшей чувствительностью к помехам, высокой надежностью в работе и т. д. Следует отметить, что импульсные элементы требуют строгой синхронизации информационных сигналов, так как в противном случае может нарушиться их физическое взаимодействие во времени.

При построении различных узлов и устройств ЭВМ оцениваются такие технические характеристики элементов, как нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, потребляемая мощность, помехоустойчивость, быстродействие и др. Многие из этих характеристик рассматриваются как в статическом, так и в динамическом режиме работы элемента.



^ Рис.2. Структура межэлементных связей

Нагрузочная способность (рис.2) элемента Э определяется допустимым числом аналогичных элементов, подключенных к его выходу, при котором обеспечивается их срабатывание; она оценивается коэффициентом п разветвления по выходу. Обычно п = 410, а для некоторых специальных элементов п = 2050.

Коэффициент m объединения по входу характеризует максимальное число элементов, подключаемых к входу элемента без изменения его выходного сигнала. Обычно m = 26. С увеличением коэффициентов п и m упрощается техническая реализация логических устройств ЭВМ, сокращается общее число необходимых элементов.

^ Потребляемая мощность РПОТ определяет требования, предъявляемые к используемым источникам электропитания. В статическом режиме она зависит от логического состояния элемента (РПОТ(0) , РПОТ(1)), поэтому в качестве параметра обычно используется ее среднее значение РПОТср= 0,5 (РПОТ(0)+РПОТ(1)); в динамическом режиме потребляется дополнительная мощность, которая возрастает с увеличением частоты переключения элемента.

Помехоустойчивость элемента также рассматривается в статическом и динамическом режимах его работы. ^ Статическая помехоустойчивость определяется значением напряжения, которое может быть подано на вход элемента относительно уровня UBХ(0) или UBХ(1), не вызывая его ложного срабатывания. Если напряжению логического «0» соответствует низкий уровень напряжения, то допустимый уровень помехи UПОМ обычно не превышает значения этого уровня. Эти напряжения соответствуют так называемой положительной логике. Применяется также отрицательная логика, при которой низкому уровню напряжения (менее положительному) соответствует логическая «1», а высокому (более положительному) — логический «0».

^ Динамическая помехоустойчивость элемента зависит от временных параметров импульса помехи, его формы и амплитуды, скорости переключения элемента и т. п. Часто импульсные помехи являются внешними по отношению к данному элементу и не зависят от его параметров. Влияние таких помех уменьшают путем улучшения экранирующих свойств конструкции и ли­ний межэлементных связей.

^ Быстродействие элементов определяется предельной рабочей частотой сигналов, поступающих на его вход. Стремление к увеличению этой частоты вынуждает сокращать до минимума длительность входных сигналов. В быстродействующих ЭВМ она составляет десятки и даже единицы наносекунды (10–810–9с). Кратковременный и прерывистый характер воздействия сигналов на схемы элементов вызывает в них переходные процессы, при которых изменение логического состояния элемента происходит не мгновенно, а в течение времени формирования переднего и заднего фронтов выходных сигналов. Передний фронт tф(0,1) формируется при переходе элемента из состояния «0» в состояние «1», а задний tф(1,0) — при переходе из «1» в «0».

На рис.3. показана временная диаграмма, отражающая характер изменения выходного сигнала UBЫХ элемента в зависимости от параметров входного сигнала UBХ. Длительность фронтов этих сигналов определяется по уровням 0,1 и 0,9 от логического перепада UЛ статических напряжений. Как видно из этой диаграммы, из-за наличия фронтов tф(0,1) и tф(1,0) срабатывание элемента происходит с определенной задержкой как на переднем tзд(0,1), так и на заднем tзд(0,1) фронте. Эти задержки определяются по среднему уровню напряжений, представляющих логические «0» и «1». Для оценки времени задержки распространения сигнала в последовательно включенных элементах используется среднее время задержки tзд(ср) = 0,5 (tзд(0,1) + tзд(0,1)) для каждого элемента. У наиболее быстродействующих элементов это время составляет единицы наносекунды.



Рис.3. Формы входного и выходного сигналов логического элемента

Максимальная рабочая частота элемента зависит от длительности фронтов и задержки переключения.