Лекция №1. (2 часа)
Раздел 1. Арифметические и логические основы цифровой техники.
Тема 1.1. Введение в цифровую схемотехнику.
План
Предмет дисциплины. Ее цель и решаемые задачи.
Элементная база ЭВМ.
Основные сведения. Понятие сигнала. Виды сигналов. Способы представления цифровой информации.
2.2. Понятие элемента, микросхемы, серии микросхем. Классификация микросхем. Основные параметры цифровых элементов и микросхем.
Разновидности электрических схем.
Цель занятия:
Дидактическая. Изучить основные понятия, связанные с элементной базой ЭВМ.
Воспитательная. Формирование дисциплины, самостоятельности, организованности.
Предмет дисциплины, Ее цель и решаемые задачи.
Под цифровой схемотехникой будем понимать дисциплину, которая изучает основы построения аппаратных средств цифровых устройств, в том числе цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и персональных компьютеров. В рамках дисциплины рассматриваются принципы работы логических элементов и элементная база цифровых устройств, основные комбинационные и накапливающие узлы, триггеры, принципы организации и функционирования полупроводниковой памяти, принципы работы и организации микропроцессоров, микропроцессорных систем и устройств, входящих в состав этих систем. Целью дисциплины с учётом сказанного является изучение принципов построения, совместной работы и методов проектирования различных узлов и устройств ЦВМ и микропроцессорных систем. В результате изучения дисциплины студенты должны знать:
номенклатуру, характеристики и функциональное назначение интегральных схем, выпускаемых промышленностью для ЦВМ;
- основные методы проектирования схем ЦВМ на основе схем средней степени интеграции, матричных БИС, программируемых логических матриц (ПЛМ), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС);
- принципы построения интегральных микросхем памяти и способов построения на их основе устройств памяти большой емкости;
- принципы построения однокристальных микропроцессорных БИС и СБИС и микропроцессорных устройств на их основе.
В результате изучения дисциплины студенты должны уметь:
- выбирать схемотехническую базу при проектировании различных устройств ЦВМ;
- читать электрические схемы средств вычислительной техники;
- составлять временные диаграммы работы простейших устройств вычислительной техники;
- пользоваться средствами моделирования устройств вычислительной техники.
В результате изучения дисциплины студенты должны приобрести навыки экспериментального исследования спроектированных схем.
Поскольку объём дисциплины ограничен 56-ю часами учебной программы, основное внимание будет уделено принципам построения, работы и использования основных узлов ЦВМ: триггеров, комбинационных и накапливающих узлов. Наряду с этим, но в меньшей степени будут рассмотрены вопросы, касающиеся принципов построения устройств памяти, арифметико-логических устройств, управляющих автоматов, микропроцессоров.
Теоретический материал, который мы рассмотроим в ходе изучения учебной дисциплины предполагается подкрепить решением практических задач с привлечением программ моделирования с целью проверки результата решения и более глубокого изучения материала. Моделирование удобно выполнять, используя пакет «Electronics Workbench» [3], который практически не требует времени на изучение собственно программного продукта.
Полного понимания дисциплины и умения использовать полученные знания для анализа работы цифровых устройств или проектирования новых устройств можно достичь, подкрепив знания принципов работы основных узлов цифровых устройств, которые рассмотрим во время занятий цифровой схемотехникой, выполнением лабораторных работ на универсальных стендах-конструкторах и на компьютерах и проектированием реальных цифровых устройств, решающих практически важные задачи.
Элементная база ЭВМ.
Основные сведения. Понятие сигнала. Виды сигналов. Способы представления цифровой информации.
ЦВМ (цифровая вычислительная машина) состоит из множества элементов, взаимодействие между которыми осуществляется путём обмена сигналами. В общем случае под сигналом можно понимать физический процесс, несущий информацию или представляющий интерес для наблюдателя. Физически сигнал в ЦВМ представляется уровнем электрического напряжения. Различают сигнал аналоговый и цифровой. Под аналоговым (то есть непрерывным) понимается сигнал, для которого в любой момент времени можно указать его мгновенное значение. К аналоговым сигналам относятся электрические величины (токи и напряжения) и механические (поворот вала на некоторый угол и т.д.) Под цифровым (дискретным) сигналом понимают электрический сигнал, для которого справедливым или допустимым являются лишь два значения: 0 и 1. Различают два способа представления цифровой информации – динамическое (импульсное) и статическое (потенциальное).
Рисунок 1.1 – Представление цифровой информации - а), б), в) динамическое (импульсное), г) статическое (потенциальное).
При импульсном представлении за 0 принимается тот сигнал, которому соответствует отсутствие импульса (нулевой уровень напряжения) или импульс отрицательной полярности. Двоичная единица в этом случае, представляется одним или множеством импульсов электрического напряжения. Под импульсом можно понимать быстрое кратковременное изменение электрического напряжения.
Типичная форма импульса приведена на рисунке 1.1а, где пунктирной линией показаны сигналы отрицательной полярности. Импульсы формируются специальными электронными устройствами – генераторами, которые могут формировать одиночные импульсы и последовательности импульсов различной частоты и формы. По форме импульсы бывают треугольные, пилообразные, колоколообразные, трапецеидальные и в идеальном случае – прямоугольные. Импульсы имеют передний фронт, задний фронт, крышу импульса и основание. Импульсы характеризуются следующими параметрами:
1.Амплитудой или амплитудным значением Um;
2.Длительностью переднего (нарастающего) фронта tФ ;
3.Длительностью заднего (спадающего) фронта tЗ;
4.Длительностью tИ;
5. Периодом TИ;
6. Частотой следования fИ .
Обычно длительность импульса tИ принято измерять на уровне 0,5 от амплитудного значения Um, а длительность нарастающего tФ и спадающего tЗ фронта между уровнем 0,1 и 0,9 от величины амплитуды, как показано на рис.1.1б для импульсов положительной полярности и 1.1в - для импульсов отрицательной полярности. Вместе с тем следует отметить, что в переводной технической литературе часто употребляются термины «передний фронт» и «задний фронт», которые менее удачны, так как не отражают понятий «нарастающий» и «спадающий». Естественно, что для импульсов отрицательной полярности передний фронт будет спадающим, а задний – нарастающим.
Периодом импульса называется временной интервал от начала одного импульса до начала следующего. Частотой – число импульсов, проходящих за единицу времени, например, за 1 с. Период и частота связаны следующей зависимостью:
T = 1/f (1.1)
Частота измеряется в Гц, кГц, мГц, гГц, а период и длительность импульса в мс, мкс, нс.
При статическом (потенциальном) способе представления двоичной информации нулю и единице соответствуют два чётко различимых уровня напряжения: U° и U¹. В связи с этим в цифровых устройствах вводится специфическое понятие информационного уровня, в качестве которого как раз и может быть принят логический «0» или логическая «1». Значения сигналов U(t), превышающие верхний пороговый уровень UП1 (рис.1.1,г) соответствуют логической «1», а значения сигнала, которые меньше, чем нижний пороговый уровень UП2 - логическому «0». Этот способ кодирования носит название положительной логики. При противоположном способе кодирования, который называется отрицательной логикой, уровни меняются местами, т.е. низкий уровень напряжения соответствует логической «1», а высокий – логическому «0». Это показано на рис. 1.1, д. Нужно отметить, что, как и при положительной логике, так и при отрицательной могут иметь место три варианта, а именно:
1.Оба уровня напряжения имеют положительный потенциал, но один из них высокий, а второй низкий, например, +5В и +1,5В.
2. Из двух уровней один имеет положительный потенциал, а второй – отрицательный, но один – высокий уровень, а второй – отрицательный, например - +5В и -5В.
3. Оба информационных уровня отрицательные, но один все равно высокий, а второй низкий, например, -1,5В и -5В.