Шпаргалка по "Информатике"

1. Определение элементов, узлов и устройств ЭВМ.

 

   Цифровая Схемотехника- это научно-техническое направление, задачи которого: анализ и синтез элементов, узлов и устройств ЭВМ, составляющих её элементную базу.

   В основе проектирования лежат методы и принципы схемотехники, базирующегося на аппарате форальных преобразований алгебры логики, на теории цифровых автоматов, а также на неформальных инженерных решений.

   ЭВМ состоит  из множества элементных частей  – элементов ЭВМ, наименовавших функциональных частей ЭВМ, служащих для обработки, преобразования, хранения и использования информации при логическом проектировании и технической реализации ЭВМ.

   Функциональный Узел ЭВМ-совокупность электрических соединений эл-ов ЭВМ, предназначенных для выполнения микроопераций над словом (или словами) определённой разрядности.

   Устройство ЭВМ-функциональная часть ЭВМ, выполняющая определённую функцию и представляющая собой соединение элементов и функциональных узлов.

   Традиционное деление ЭВМ по поколениям базируется на элементной базе:

1 поколение:  на электрических лампах.

2 поколение:  п/п диоды и транзисторы

3 поколение:  ИМС малой и средней степени  интеграции.

4 поколение ИМС  большой и сверхбольшой степени  интеграции.

   Эволюция ЭВМ развивается в следующих направлениях:

-схемотехника

-архитектура  (структура ЭВМ)

-мат и программное  обеспечение

-возможность  общения человека с машиной.

   Основные  требования к машине должны  составлять:

-быстродействие

-высокая помехоустойчивость (надёжность)

-низкая стоимость.

 

2. Классификация элементов ЭВМ.

В зависимости от формы представления информации, элементы различают:

-аналоговые, т.е.  физическая величина меняется  по закону непрерывной фу-ии.

-цифровые (дискретные), т.е. представляются 2мя уровнями  физической величины.

Цифровые элементы функционируют в дискретный момент времени.

 

В зависимости от основного активного ЭРЭ различают полярные и униполярные элементы на транзисторах.

В зависимости  от конструктивности лог эл-та различают эл-ты на дискретных ЭРЭ  или выполняются на интегральном исполнении в виде интегральных микросхема.

В зависимости от выполняемой фу-ии различают логические и комбинированные эл-ты.

В зависимости от способа кодирования лог уровня «0» или «1» различают:

-импульсные                               (вх и вых сигнали импульсные)

-потенциальные                           (вх и вых сигнали динамические)

-импульсно-потенциальные.       (вх и вых и такие и такие)

 

Средства  запоминания:

1. Оптические (основывается на отражении света).
2. Магнитные
3. Конденсаторные.

Специальные элементы (вспомогательные):

Средства запоминания  д.б. дополнены спец элементами (дисплей, монитор).

 

3. Соглашение  Положительной и Отрицательной  Логики:

   В зависимости от способа кодирования лог уровня «0» или «1» различают:

-импульсные                                (вх и вых сигнали импульсные)

-потенциальные                           (вх и вых сигнали динамические)

-импульсно-потенциальные.       (вх и вых и такие и такие)

 Само кодирование «0» или «1» потенциальными сигналами выглядит так:

     1               ----Uв              Uв отобр «1»            Uв отобр «0» - это положит-отрицат логика.

0                      Uн                  Uн отобр «0»            Uн отобр «1»

        Т  2Т  3Т

 «0» и «1»  кодируется различными фазами  гармонич сигнала  относит опорного сигнала.

  При динамич  способе  «1» кодируется пачкой  импульсов и отсутствует при  «0».

 

4. Требования  к Системе Элементов.

Система элементов  – совокупность элементов, предназначенных  для совместного использования, имеющих единое питание, едино констр-технологическое исполнение и отвечающая требования функциональной и технической полноты и совместимости входных и выходных сигналов.

1) Функциональная  полнота

2) Физическая  полнота(система должна включать  усилители, преобразователи, индикаторы, генераторы, и т.п. вспомогательные элементы)

3) Совместимость  входных и выходных сигналов (выходными  сигналами одного элемента можно  управлять или переключать состояния  другого элемента).

Т.к. сейчас элементы ЭВМ выполняются  в интегральном исполнении, то степень сложности ИМС оценивается с помощью степени интеграции и функциональной сложности.

(I, II, III и т.д. степени интеграции)

(1-МИС, 2-СИС, 3,4-БИС, >5-СБИС)

 

 

5. Основные  параметры элементов ЭВМ

Параметры определяют качество ИМС (быстродействие, надежность, стоимость и т.д.). Сами параметры определяются по характеристикам элементов.

I ) Статические (в состоянии логического «0» или «1»)

Параметры напряжения:

1. входные напряжения логического «0» и «1»: 
2. выходные напряжения логического «0» и «1»: 
3. пороговое напряжение: - это такое напряжение, при котором начинается переключение ЛЭ из одного состояния в другое
4. логический перепад: 
5. напряжение допустимой помехи: , прикладывающееся ко входу и не изменяющее логическое состояние элемента. Характеризуют способность элемента противостоять помехам.

Токовые параметры:

1. входные токи логического «0» и «1»:  - это такие токи, которые находятся во входной цепи ЛЭ, когда на вход элемента подается соответственно
2. выходные токи логического «0» и «1»: 

Входные и выходные токи позволяют определить нагрузочную  способность логических элементов.

3. ток выходной цепи ЛЭ с открытым коллектором (до 250 мкА в ТТЛ)
4. ток выходной цепи ЛЭ в состоянии Z (в 3^м состоянии, высокий импеданс)
5. потребляемые токи в состоянии логического «0» и «1»: 

Коэффициент нагрузочной способности (коэффициент разветвления по выходу)

Коэффициент объединения по входу определяет количество входов ЛЭ

Коэффициент объединения по выходу . Некоторые элементы допускают объединение по выходу, но их количество ограничено, т.к. при увеличении количество объединенных выходов, увеличивается емкость узла, а значит ухудшаются свойства

Потребляемая  мощность

Напряжение  питания

II ) Динамические (в процессе переключения)

1. времена задержек распространения

2. работа переключения

 

III ) Параметры надежности

1. интенсивность отказов (10^-8-10^-9 1/ч), где N - число микросхем, поставленных на испытания, t – время испытаний, n – число ИМС, вышедших из строя
2. время наработки на отказ
3. вероятность безотказной работы

 

 

 

6.Основные  характеристики элементов ЭВМ

I ) Статические

1) входная   . Измеряется для одного входа, а на остальные подается или при максимальной нагрузочной способности.

2) передаточная  

3)  выходная   . Снимается для обоих состояний ЛЭ.

II ) Динамические

Нагрузочная характеристика

7. Логические  Элементы ЭВМ.

Логические  элементы - устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого - "1" и низкого - "0" уровней). Это позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку.

Классификация ЛЭ:

1.Диодная Логика  ДЛ: R, RC-логика, транзисторы.

2.НСТЛ

3.Резисторно-Транзисторная  РТЛ (транзист логика с транзист  логикой):      R

4.РЕТЛ (транзист  логика с транзисторно-емкостной  логикой):   R и C.

5.ДТЛ Диодно-Транзисторная ( «И» и «ИЛИ»): диоды на вход.

6.ТТЛ(Ш)

7.ЭСЛ (эммитерно-связанная  логика)

8.ИИЛ (И Л). Интегрально-иппозиционная.

9.КМОП (логика на основе комплементарных ключей на МОП транзисторах)

Применение: Логические элементы входят в состав микросхем, например ТТЛ элементы – в состав микросхем К155, 533, К555.

Комбинационными называются такие логические устройства, выходные сигналы которых однозначно определяются входными сигналами: шифратор, дешифратор, сумматор.

Последовательностными называют такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти: триггер, счётчик, регистр.

 

8. Триггеры. Схема. Классификация.

Триггер – устройство с двумя устойчивыми состояниями выхода, содержащее запоминающую ячейку (ЗЯ) и схему управления (СУ), преобразующую поступающую информацию в комбинацию сигналов, действующих непосредственно на входы ЗЯ

Классификация триггеров.

        1. По способу организации логических  связей, т.е. до виду логического уравнения, характеризующего состояние входов и выходов триггера в момент времени до его срабатывания в момент   после его срабатывания;

   Различают триггеры:

-с раздельной установкой состояний "О" и "I" ( RS -триггеры);

-со счетным входом ( Т - триггеры);

-универсальные  с раздельной установкой состояний  "О" или "I" ( JК- триггеры);

-с приемом  информация по одному входу  ( D- триггеры);

-универсальные  с управляемым приемом информации  по одному входу (DV-триггеры);

-комбинированные (например,RST-,JKRS-,DRS - триггеры) и т.д.

   Разнообразность  схем триггеров определяется  возможностью изменения организации СУ  и способами подключения обратной связи к входам СУ

2. По способу записи информации различают триггеры:

-асинхронные  (не синхронизируемые);

-синхронные (синхронизируемые), или тактируемые.

       3. По способу синхронизации различают триггеры:

-синхронные со статическим  управлением записью; 

-синхронные двухступенчатые; 

-синхронные с динамическим  управлением записью.

Основными параметрами триггеров являются:

коэффициенты  объединения по входу  и разветвления но выходу напряжение допустимой помехи

 входные и выходные напряжения и токи "О" и "I".

Эти параметры триггеров  аналогичны параметрам логических элементов.

Динамическими параметрами триггера являются:

-время задержки распространения сигнала при включении и выключении триггера, а также среднее время задержки распространения сигнала

-  минимальная длительность входного сигнала (импульса) при которой еще происходит переключение триггера;

   - разрешающее время триггера - минимально допустимый временной интервал между двумя последовательными входными сигналами минимальной длительности, вызывающими переключение триггера;

-  максимальная частота переключения триггера Минимальная длительность входного сигнала равна , где m - количество логических элементов в цепи от входа информационного или синхросигнала до входа элемента, на котором замыкается триггерное кольцо обратной связи,

- среднее время задержки распространения  сигнала в логическом элементе.

Среднее время  задержки распространения сигнала в триггере равно ,где n – количество логических  элементов в цепи от входа информационного или синхросигнала до выхода элемента, на котором подтверждается состояние триггера. Динамические параметры определяют быстродействие триггера.

9. Асинхронные и синхронные RS-Триггеры. Синтез.

Асинхронные RS-Триггеры.

   Триггер – устройство с двумя устойчивыми состояниями выхода, содержащее запоминающую ячейку (ЗЯ) и схему управления (СУ), преобразующую поступающую информацию в комбинацию сигналов, действующих непосредственно на входы ЗЯ.

По  способу записи информации различают триггеры:

-асинхронные  (не синхронизируемые);

-синхронные (синхронизируемые).

Будем считать, что:

n, n+1 -такты

tn, tn+1 -время

Qn, Qn+1 –такты в момент времени t.

Также примем упрощённую запись:

Qn à Q

Qn+1 à Q*

Sn,Rn à S,R - вх сигналы.

RS–триггер - триггер с раздельной установкой состояний "О" и "I";

Таблица переходов  Асинхронного RS-триггера выглядит так

Вр t			Вр t+1
S	R	Q	Q*
0 0 0 0 1 1 1 1	0 0 1 1 0 0 1 1	0 1 0 1 0 1 0 1	0 1 0 1 1 1 - -	1 0 1 0 0 0 - -