Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Отдельные элементы и узлы цифровых приборов 201

гер. Например: RS-триггер, D-триггер, RST-триггер (комбинированный,

способный выполнять функции T- и RS-триггера). Несмотря на боль-

шое разнообразие триггеров, практически все триггеры строятся на базе

RS-триггеров.

4.9. Несимметричный триггер (триггер Шмитта)

В первой половине ХХ века одной из важнейших задач было выде-

ление полезного сигнала на фоне нерегулярных помех. В 1938 г. инже-

нер О. Шмитт описал схему, которая впоследствии получила название

«Триггер Шмитта» (ТШ), который был выполнен как двухкаскадный

усилитель, охваченный внутренней положительной обратной связью.

ТШ представлял собой устройство, которое при превышении входным

напряжением некоторого порогового

уровня (напряжения срабатывания)

скачком переходило на другой устойчи-

вый уровень (напряжение отпускания)

(рис. 133). Передаточная характеристика

ТШ по напряжению имеет вид петли

гистерезиса, аналогичного магнитному гис-

терезису (рис. 134). Поэтому на условно-

графических обозначениях ТШ отмечают в

виде петли гистерезиса (рис. 135). Со сме-

ной элементной базы ТШ сначала стали

изготавливать на биполярных транзисторах,

а затем и в виде интегральных микросхем.

ТШ не обладают памятью и используются

как спусковые устройства

либо для формирования

последовательности пря-

моугольных импульсов из сигналов произвольной

формы, например синусоидальных. Другое назначе-

ние ТШ – восстановление, регенерация искажённых

цифровых сигналов. При передаче цифрового сигнала

по линиям передачи всегда происходят его искаже-

ния. Например, вытягивается передний фронт им-

пульса. Из-за этих искажений на конце линии переда-

чи такой сигнал необходимо восстанавливать. С этой целью используют

Рис. 133. Триггер Шмитта

Рис. 134. Передаточная

характеристика ТШ

Рис. 135.

Условно-

графическое

изображение

триггера Шмитта

202 В.П. Леонов

регенераторы сигнала. На (рис. 136) приведена схема ТШ на двух тран-

зисторах. В интегральных микросхемах К155ТЛ2 и К555ТЛ2 в одном

корпусе содержатся шесть триггеров Шмитта.

В современных компьютерах ис-

пользуются микросхемы, число транзи-

сторов в которых достигает 12–13 млн. В

последние 25 лет количество транзисто-

ров в одной микросхеме увеличилось

более чем в 3 000 раз. Ожидается, что к

2011 г. их число в в одной микросхеме

достигнет 1 млрд. Основные логические

функции реализуются в сериях инте-

гральных микросхем, которые принято

называть цифровыми микросхемами.

Наиболее популярны такие серии, как

К133, К161, К511, К561, К155. Некоторые

микросхемы имеют пластмассовый корпус,

другие – металлостеклянный. На рис. 137

изображёна микросхема серии К133, а на

рис. 138 – микросхема серии К561. Каждая

из этих серий включает 1–2 десятка различ-

ных микросхем, реализующих такие логиче-

ские элементы, как И-НЕ, ИЛИ, триггеры,

счётчики, регистры сдвига и т.д. Например,

серия К155 включает 16 различных инте-

гральных микросхем, реализующих транзи-

сторно-транзисторные логические схемы.

Данные микросхемы изготовлены по

планарно-эпитаксиальной технологии

на кристалле кремния. Корпус микро-

схем прямоугольный пластмассовый,

имеет 14 выводов. Масса микросхемы

составляет 1 г. Микросхема может

работать в интервале температур от

– 10 до + 70 °С. Напряжение питания для всех микросхем этой серии

составляет 5 В ± 5 %.

Рис. 136. Схема триггера

Шмитта на транзисторах

Рис. 137.

Микросхема К133

Рис. 138. Микросхема К561

Глава 4. Отдельные элементы и узлы цифровых приборов 203

4.10. Аналоговые электронные устройства

Как известно, квантованный сигнал может принимать только опре-

делённые значения, кратные шагу квантования. В том случае, когда

квантованный сигнал дискретен и во времени, его называют цифровым

сигналом. В современных вычислительных устройствах помимо инте-

гральных микросхем, реализующих те или иные элементы логических

устройств, широко используются и устройства, которые работают не

только с цифровым сигналом, т.е. с логическими нулями и единицами,

но и с непрерывными электрическими сигналами, которые принято на-

зывать аналоговыми. Такой сигнал является непрерывным по уровню и

во времени. Наиболее известными сферами использования аналоговой

электроники является радиовещание и телевидение. Однако и они в по-

следнее время переходят на стандарты цифрового вещания.

В работе с аналоговыми сигналами наиболее часто используются

разнообразные усилители. Принято подразделять усилители на не-

сколько групп: 1) усилители низкой частоты (УНЧ), диапазон рабочих

частот от 10 Гц до 100 кГц; 2) усилители высокой частоты (УВЧ), диа-

пазон рабочих частот от 100 кГц до 100 МГц; 3) импульсные усилители

и видеоусилители, диапазон рабочих частот 1–100 кГц; 4) усилители

постоянного тока, рабочий диапазон частот до 100 кГц. Основные ха-

рактеристики таких усилителей включают коэффициент усиления K,

равный отношению выходной величины к входной, входное и выходное

сопротивление, КПД усилителя и его выходную мощность, уровень

собственных шумов, диапазон рабочих частот и коэффициент нелиней-

ных искажений. Важнейшей характеристикой качества усилителя явля-

ется амплитудно-

частотная характе-

ристика (АЧХ), ко-

торая представляет

собой зависимость

амплитуды выход-

ного сигнала от

частоты при посто-

янной амплитуде

входного сигнала.

Типичный вид АЧХ

представлен на рис. 139. Верхняя и нижняя границы рабочего диапазо-

на частот ограничены значениями коэффициента усиления K = 0,7K

max

Рис. 139. АЧХ усилителя

204 В.П. Леонов

4.11. Операционные усилители

В отдельный класс выделяются операционные усилители (ОУ), ко-

торые предназначены для выполнения определённых математических

операций с аналоговыми сигналами. ОУ имеют очень высокий коэффи-

циент усиления, очень большое входное и очень малое выходное сопро-

тивление. Обычно ОУ выполняются в виде микросхем и содержат в

своём комплекте несколько каскадов усилителей постоянного тока и

генератор тока для питания этих каскадов. Схемы ОУ достаточно слож-

ны, и по этой причине их работа в различных диапазонах частот может

иметь отличающиеся характеристики. Наиболее часто используются

дифференцирующие и интегрирующие ОУ. Достаточно часто ОУ ис-

пользуются в качестве фильтров определённого спектра частот. Так, на

рис. 140 показаны АЧХ, которые имеют очень малые значения коэф-

фициента усиления K в низкой (а), высокой (б) областях частотного

спектра или же в определённой полосе частот (в). В последнем случае

схему включения ОУ с такой АЧХ называют полосовым фильтром (г).

Рис. 140. АЧХ операционных усилителей

4.12. Классификация интегральных микросхем

В зависимости от технологии изготовления интегральные микро-

схемы принято подразделять на полупроводниковые, пленочные и гиб-

ридные. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэле-

ментные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупро-

водника. В пленочной микросхеме все элементы и межэлементные со-

единения выполнены в виде пленок проводящих и диэлектрических ма-

териалов. В гибридной микросхеме кроме простых элементов есть и

сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупровод-

никовых микросхем). В зависимости от функционального назначения

интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Анало-

говые микросхемы предназначены для обработки и преобразования не-

прерывных сигналов. С помощью цифровых микросхем обрабатывают-

Глава 4. Отдельные элементы и узлы цифровых приборов 205

ся цифровые сигналы, т.е. такие сигналы, которые изменяются по зако-

ну дискретной функции. Например, к цифровым микросхемам относят-

ся логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом,

которые описываются законами логической алгебры. Микропроцессор

определяется как программно-управляемое устройство, осуществляю-

щее процесс обработки цифровой информации и управления им.

Обычно микропроцессор изготавливается на основе одной или несколь-

ких интегральных схем. Интегральные микросхемы разрабатываются и

выпускаются предприятиями-изготовителями в виде серий. Серия отли-

чается своей комплектностью и содержит несколько отличающихся

микросхем. К одной серии микросхем относят набор микросхем, вы-

полняющих различные функции, но имеющих единое конструктивно-

технологическое исполнение. Обычно микросхемы одной серии пред-

назначены для совместного применения.

Быстродействующие цифровые интегральные микросхемы малой

мощности серии KP1533 предназначены для высокоскоростного обмена

и обработки цифровой информации в вычислительных устройствах.

Микросхемы этой серии обладают минимальным значением произведе-

ния быстродействия на рассеиваемую мощность. Они изготавливаются

по эпитаксиально-планарной технологии с диодами Шоттки. Конструк-

тивно микросхемы серии КР1533 выполнены в стандартных пластмас-

совых корпусах с 14, 16, 20 и 24 выводами. Буквенно-цифровые обо-

значения, следующие за номером серии, идентифицируют конкретный

тип и назначение микросхемы. Например, микросхема КР1533ТР2 со-

держит четыре RS-триггера, микросхема КР1533ИЕ5 представляет со-

бой четырёхразрядный двоичный счётчик, также содержащий 4 тригге-

ра, и т.д.

Выводы

Современная вычислительная техника содержит разнообразные

схемные реализации, основная часть которых выполнена в виде инте-

гральных микросхем. Основным направлением совершенствования тех-

нологии интегральных микросхем является уменьшение размеров от-

дельных элементов. Однако это не единственное направление. В сере-

дине 2007 г. уже была опробована 3D-технология создания трёхмерных

интегральных схем – through-silicon vias («связи сквозь кремний»), в

которой устраняются длинные металлические проводники. С этой це-

лью в пластине кремния формируются вертикальные каналы, которые

206 В.П. Леонов

заполняются металлом. Метод позволяет сократить расстояния, которые

должны пройти сигналы, в 1000 раз и увеличить пропускную способ-

ность каналов до 100 раз по сравнению с сегодняшними плоскими чи-

пами. С использованием данной технологии в ближайшие годы плани-

руется интеграция в одном кристалле самого процессора и оперативной

памяти, что фундаментально изменит взаимодействие между процессо-

ром и памятью.

Вместе с тем часть схем содержит и объёмные радиокомпоненты,

такие, как резисторы, конденсаторы, трансформаторы, переключатели и

т.д. Наряду с цифровыми схемами в этой технике используются и ана-

логовые электронные устройства.

Глава 5. Внешние устройства хранения цифровой информации 207

Г л а в а 5 . ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ

ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Внешние устройства хранения цифровой информации используют

три основных физических принципа хранения информации – магнит-

ный, электронный и оптический, а также отдельные их сочетания. Эта

особенность позволяет хранить записанную информацию в том числе и

тогда, когда компьютер выключен. Поэтому принято говорить о таких

способах хранения информации, как об энергонезависимых. Магнитный

метод использует свойство перемагничивания отдельных участков но-

сителя магнитного слоя. Как правило, такой носитель представляет со-

бой диск или ленту, которые могут перемещаться относительно записы-

вающей (считывающей) головки.

5.1. Хранение цифровой информации на жестких

магнитных дисках

Накопители на жёстких дисках обычно называют винчестерами.

Этот термин появился в 60-е годы, когда фирма IBM выпустила высо-

коскоростной накопитель с одним несъёмным и одним сменным диска-

ми емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, кото-

рые вращались с высокой скоростью, и «парящих» над ними головок, а

номер разработки этого накопителя был 30-30. Такое цифровое обозна-

чение (30-30) совпало с обозначением популярной винтовки Winchester,

поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любо-

го стационарно закрепленного жесткого диска. Первые накопители на

жёстких магнитных дисках (НЖМД) были разработаны в компании

IBM. Так, первый HDD (Hard Disk Drive) был разработан в IBM в

1973 г., и назывался IBM 3340. Первый HDD имел 14-дюймовые пла-

стины и объём памяти 60 Мбайт. Однако к этой новинке фирма IBM

шла почти четверть века.

1949 г. фирма IBM приступила к разработке нового устройства хра-

нения данных на магнитном носителе. А 21 мая 1952 г. IBM анонсиро-

вала модуль ленточного накопителя IBM 726 для ЭВМ IBM 701. Четыре

года спустя, 13 сентября 1956 г. фирма IBM объявила о создании первой

208 В.П. Леонов

дисковой системы хранения данных – IBM 305 RAMAC (Random Access

Method of Accounting and Control) (рис. 141 и 142). В отличие от лен-

точных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуще-

ствлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска.

Такой способ заметно повысил

производительность компьюте-

ра, поскольку данные записыва-

лись и извлекались намного бы-

стрее, чем при использовании

ленточных устройств. На фото-

графии это устройство, а оно

называлось 350 Disk File, видно

в левой части рис. 141 в виде

барабана. Устройство содержало

50 алюминиевых дисков (бли-

нов), покрытых с обеих сторон

оксидом железа. Диаметр дис-

ков был равен 61 см; диски кре-

пились на одной оси и помеща-

лись в герметизированный объ-

ём. При работе диски враща-

лись со скоростью 1200 оборо-

тов в минуту. Запись и считы-

вание информации производи-

лись двумя магнитными голов-

ками. Ёмкость этого накопите-

ля составляла 4,4 Мбайт, при

плотности записи информации,

равной 300 бит на квадратный

сантиметр. Для сравнения: на

современных винчестерах

плотность записи составляет

10–15 Гбит на квадратный сан-

тиметр. Отличительной осо-

бенностью этого накопителя

было ещё и то, что IBM сдавала

его в аренду. Вес накопителя

был около одной тонны, и его габариты были под стать современному

шкафу для одежды. В 1979 г. IBM анонсировала модель 3310 – первый

Рис. 142. Погрузка RAMAC-305

на самолёт

Рис. 141. Внешний вид IBM 305 RAMAC

Глава 5. Внешние устройства хранения цифровой информации 209

жёсткий диск с 8-дюймовыми пластинами. Для первых HDD размеры

имели гораздо меньшее значение, чем объём памяти. Однако со време-

нем размер пластин (формфактор) стал также важен. В 1980 г. фирма

Seagate разработала жёсткий диск ST-506, имевший формфактор

5,25 дюйма (5 Мбайт, 4 пластины).

В основе работы всех магнитных носителей информации лежит

явление электромагнетизма, открытое датским физиком Хансом Эрсте-

дом в 1820 г. Суть его состоит в том, что при пропускании через про-

водник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле –

рис. 143. Это поле воздействует на оказавшееся в нём ферромагнитное

вещество. При изменении направления тока полярность магнитного

поля также изменяется. Однако существует и противоположный эф-

фект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное

поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнит-

ного поля изменяется и направление электрического тока. Благодаря

такой взаимной «симметрии» электрического тока и магнитного поля

существует возможность записывать, а затем считывать данные на маг-

нитном носителе.

Рис. 143. Эффект Эрстеда

Технология магнитной записи информации зарождалась более

100 лет тому назад, а именно в 1898 г. Сотрудник Копенгагенской теле-

фонной компании, инженер Вольдемар Паульсен, разработал техноло-

гию записи речи на стальную проволоку. С этой целью он разместил на

подвижной каретке микрофон, соединённый с электромагнитной ка-

тушкой и электрической батареей. Это устройство В. Паульсен назвал

«телеграфон». Перемещая каретку вдоль стальной проволоки, он гово-

рил в микрофон (рис. 144). По окончании записи каретка возвращалась

210 В.П. Леонов

в исходное положение, микрофон заменялся динамиком, и при даль-

нейшем перемещении каретки из динамика слышалась человеческая

речь. Через три года стальная проволока была заменена магнитной лен-

той шириной 3 и толщиной 0,05 мм. Эта лента сматывалась с одной бо-

бины на другую, проходя мимо магнитных головок для записи и считы-

вания. Фактически это устройство было первым в мире магнитофоном.

Но в ряде устройств, например в так называемых чёрных ящиках само-

лётов, по-прежнему используется стальная проволока.

Рис. 144. Эксперименты В. Пульсена

Магнитная запись для хранения информации в ЭВМ стала широко

использоваться в 50-е годы прошлого века. К примеру, в советских

ЭВМ БЭСМ, Минск-32 использовался магнитный барабан. На отечест-

венных ЕС ЭВМ для записи информации использовались магнитофоны

(рис. 145) с магнитной лентой (рис. 146).

Рис. 146. Магнитная лента

для ЕС ЭВМ

Рис. 145. Магнитофон

ЕС ЭВМ