Водовозов В.М, Водовозов A.M. Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии: Учебное пособие.-

Подождите немного. Документ загружается.

программ, обеспечивающих функционирование системы, образует ее

программное

обеспечение

. Во многих случаях стоимость программ на порядок превышает

стоимость технических средств, что свидетельствует о важной роли программных

продуктов и высокой трудоемкости их производства. Все программное обеспечение

условно делится на прикладное и системное.

Прикладное программное обеспечение

служит прикладным пользователям -

инженерам и врачам, ученым и студентам, работникам офисов, служащим банков и

других учреждений - для выполнения на компьютерах их профессиональных

обязанностей и решения своих повседневных и перспективных задач.

Своеобразным "лицом" программного обеспечения выступает прикладной

программный интерфейс пользователя, через который осуществляется общение

пользователя с программами. В прикладном программном обеспечении, доступ к

которому открывает интерфейс пользователя, выделяется несколько групп:

универсальные программы общего назначения, специализированные программы,

системы программирования. В первую группу входят программы для работы с

текстовыми документами - текстовые редакторы и текстовые процессоры;

программы для работы с числовыми документами - калькуляторы и табличные

процессоры; программы для работы с графическими документами - графические

системы, игровые программы. Специализированные программы обслуживают

ограниченные коллективы пользователей и направлены на решение конкретных

профессиональных задач. Это системы автоматизированного проектирования

(САПР), автоматизированные рабочие места (АРМ), моделирующие и

диагностические комплексы, имитаторы и тренажеры, средства делопроизводства и

экспертные системы, математические пакеты, переводчики и т.п. Системы

программирования ориентированы на разработку и усовершенствование

универсальных и специализированных программ с использованием языков

программирования, таких как Фортран, Паскаль, Си, Java, Visual Basic.

Системное

программное обеспечение

обеспечивает работоспособность

прикладных программ, связывая их с аппаратурой вычислительной системы. Оно

реализует хранение и обработку данных, а также обмен ими между объектами

информационных систем. Основой системного обеспечения является

операционная

система

, представляющая собой единый комплект драйверов и утилит,

реализующий централизованное управление компьютером.

Драйверы

обслуживают

адаптеры и контроллеры аппаратного интерфейса, переключают периферийные

устройства и контролируют их характеристики, а также приводят в действие всю

аппаратуру компьютера.

Утилиты

осуществляют межпрограммное

взаимодействие: шифрование, сжатие, архивацию, защиту информации и

обезвреживание программных вирусов.

Часть программ можно отнести к

промежуточному программному

обеспечению

, т.к. они сочетают черты системных и прикладных программных

продуктов. Этот класс программ выполняет функции, общие для многих

приложений. К нему относятся календари, калькуляторы, а также базы данных,

занимающие особое место в математическом обеспечении. Они используются

всеми названными группами прикладных программ для хранения, систематизации и

поиска больших информационных массивов и прочно связаны с системными

программами.

При наличии достаточного объема данных (назовем его

), удается измерить

количество информации (назовем его

) числом символов в определенном

сообщении. Логической единицей данных служит

бит

, представляющий собой

сообщение об одном из двух равновероятных исходах события. Восемь бит

образуют один

байт

. Из 1024 байтов собирается один

килобайт

(Кбайт), из 1024

Кбайт -

мегабайт

(Мбайт), из 1024 Мбайт -

гигабайт

(Гбайт), из 1024 Гбайт -

терабайт

(Тбайт). Главное преимущество битовой, или двоичной, системы, в

которой работает компьютер, - это простота обработки данных техническими

средствами.

Мера информации может быть синтаксической или семантической.

Количество информации на синтаксическом уровне определяется как

И = Н1 - Н2

где

Н1

- начальная мера неопределенности состояния системы, а

Н2

- ее конечная

мера. Говорят, что количество информации равно количеству снятой энтропии, и по

закону К. Шеннона это выражается как

Н = -

(Р log Р)

, где

- это вероятность

того, что система находится в определенном состоянии. Степень информативности

сообщения определяют отношением

И/Д

. Для измерения смыслового содержания

информации, то есть ее количества на концептуальном уровне, вводится понятие

тезауруса

, представляющего объем сведений, используемый пользователем.

Максимум семантической информации достигается при получении пользователем

новой понятной ему информации и характеризуется коэффициентом

содержательности

Т/Д

Таким образом, компьютерные технологии описывают уровень

информационной загрузки общества и способствуют его развитию. Благодаря их

внедрению практически всегда удается:

o ускорить принятие решений за счет более быстрого и менее субъективного

сбора информации, оперативного анализа больших объемо в сведений и

выявления характера их взаимодействия;

o поднять эффективность производства за счет оперативного обновления

ассортимента продукции;

o улучшить качество и увеличить объем связи;

o усовершенствовать документооборот.

1.4. Компьютерная архитектура

Простая архитектура требует

тщательных размышлений, большого

предварительного опыта, весомой

аргументации, отсутствие которых легко

приводит к сложности.

Н. Вирт. «Языки программирования»

Состав компьютерной системы, как и любой системы в природе, обществе,

технике, и характер взаимосвязи ее элементов определяет ее структуру , тогда как

процессы взаимодействия элементов характеризуются функциями системы.

Организация системы, регламентирующая одновременно и ее структуру, и характер

взаимодействия аппаратных, математических и технологических ресурсов,

называется

архитектурой

. Архитектура компьютерной системы напоминает

информационную модель человека и строится в соответствии с девизом бионики

"живые прототипы - ключ к новой технике". Можно предположить, что

информация внешнего мира воспринимается органами чувств человека и

помещается в кратковременную память для анализа. В другой области памяти -

долговременной - хранятся образы и смысловые связи между ними, которые

используются для объяснения новой информации, поступающей из

кратковременной памяти. Большие объемы информации постоянно заносятся в

кратковременную память, и мозг человека анализирует и фильтрует их, определяя

степень важности и соотношение новых сведений с образами, хранящимися в

долговременной памяти. На основании анализа выполняется преобразование

информации, запоминаются новые сведения и формируется реакция на

поступившую информацию.

Соответственно, и компьютерная система содержит три базовых модуля:

систему ввода данных, вычислительную и исполнительную системы.

Физическими носителями информации в современном компьютере являются

миниатюрные электрические проводники или оптические световоды, по которым

циркулируют данные в форме дискретных импу льсов. "Сердце" компьютера -

процессор

- представляет собой программно-управляемое устройство для обработки

данных и управления такой обработкой. Процессор устанавливается на

системной

(материнской, объединительной) плате

Программное обеспечение размещается в долговременных хранилищах

информации - внешних

накопителях

- ВЗУ и

постоянном запоминающем

устройстве

- ПЗУ (ROM -

Read Only Memory

)

а для переработки переносится в

оперативную

память

компьютера - ОЗУ (RAM -

Random Access Memory

). Число,

однозначно идентифицирующее элементы запоминающего устройства, называется

адресом

. Обычно оперативная память персонального компьютера имеет размер от 8

до 1024 Мбайт, а на накопители помещается от 0.4 до 32 Гбайт информации.

Процессор соединяется с

периферийными устройствами

системной шиной

ввода-вывода, или

магистралью

. К периферийным относятся устройства ввода-

вывода, в первую очередь - дисплеи, модули расширения памяти, манипуляторы и

т.п. Системная шина представляет собой множество линий передачи сигналов -

кодов данных, адресов, команд и сигналов состояния элементов. Линии

группируются по функциональному назначению в шины адреса, данных и

управления. Магистраль имеет разъемы расширения (слоты), через которые она

соединяется с периферийными устройствами и магистралями других компьютеров

посредством адаптеров, выполняющих функции электрического и логического

сопряжения. Работой ряда устройств, подключенных к магистрали напрямую или

через локальные шины, управляют контроллеры. Они обрабатывают информацию,

преобразуя ее к виду, удобному для записи, чтения, передачи. В некоторых

конструкциях на одной системной плате сосредоточены все элементы,

необходимые для работы, но в большинстве случаев часть аппаратуры вынесена

отдельно. Размеры и размещение системной и локальной шин, мощность блока

питания и объем аппаратуры во многом определяют тип корпуса системного блока

компьютера.

По командам процессора производится загрузка данных из ПЗУ или

внешних накопителей в оперативную память. Оттуда коды программ передаются

устройству управления процессора, а данные - в арифметико-логическое устройство

процессора. По командам устройства управления процессор оперативно открывает

области памяти для размещения поступающих данных, перерабатывает

информацию, выводит ее в периферийную аппаратуру или хранит до поступления

запросов на дальнейшую переработку.

Большинство современных компьютеров выполнено в архитектурном стиле,

предложенном в 1947 г. Дж. фон Нейманом, американским математиком,

участником проектов Maniac и Mark 1. Главное в архитектуре Дж. фон Неймана -

последовательный характер обработки информации и разделение запоминающей

среды на оперативную (кратковременную) память и внешние запоминающие

устройства. Впервые такая система была применена в 1941 г. в релейном

вычислителе Z3, построенном немецким инженером К. Цузе для расчета

траекторий движения ракет. Затем в 1943 г. она использовалась в первой

программной электромеханической машине А. Бистчли и Т. Флаверса Colossus

(Англия) для кодирования и декодирования разведывательных сообщений.

Сегодня распространены компьютеры нескольких классов.

Наиболее интенсивно архитектура Дж. фон Неймана используется в

микрокомпьютерах. Идея создания на их базе

персонального компьютера

(PC -

Personal Computer) принадлежит А. Кэю, а первые такие машины появились в 1974

г. Вначале это был Altar 8800 фирмы

Mits

, затем - Apple одноименной компании С.

Возняка и С. Джобса (1976), IBM PC (1981), IBM PC/XT (1983) и IBM PC/AT

(1984). В 1987 г. пришли 32-разрядные модели PS/1 фирмы

IBM

, Macintosh 2

(

Apple

), Apricot Vx Ft Server фирмы Apricot из Великобритании. Развитие

персональных компьютеров было столь бурным, что к 1992 г. мировой доход от их

продажи перекрыл доход от продаж остальных машин. К 1993 г. объем реализации

таких ЭВМ достиг 40 млн., а общее количество их в мире превысило 200 млн. В

производстве персональных компьютеров лидируют сегодня фирмы

Dell

Compaq

а также

HP, IBM, Apple

. На базе микроЭВМ созданы настольные и многочисленные

портативные компьютеры.

Кроме машин, построенных в соответствии с архитектурой Дж. фон

Неймана, существуют другие типы компьютеров. Часто особую архитектуру имеют

рабочие станции

. Обладая уникальным архитектурным стилем, они обеспечивают

наивысшую эффективность при решении задач в конкретной прикладной области:

медицине, конструировании, разведке полезных ископаемых, на транспорте и т.п.

Другая категория компьютеров -

большие ЭВМ

(

mainframes

) - оформляются в виде

стоек (шкафов), занимая площади порядка 100 кв. м. Мировой парк их близок к

100000, а цена каждой превышает 1 - 3 млн. долларов. Лучшими в этом классе

считаются машины ES/9000 (IBM). А у

мини-ЭВМ

аппаратура размещается на

площадях 20 - 60 кв. м. К ним относятся, в частности, машины серии VAX фирмы

DEC, сменившие ранее распространенные PDP 11 и СМ ЭВМ . Что же касается

предельно достижимых технических характеристик, то их имеют

суперкомпьютеры

стоимостью, измеряемой десятками миллионов долларов.

В настоящее время развиваются три концепции использования

компьютерных систем различных архитектур. Наиболее часто и в

профессиональной деятельности, и в быту конечные пользователи применяют

универсальные персональные компьютеры с разрозненными программными

продуктами - текстовыми и табличными процессорами, базами данных, играми.

Более высокий уровень занимают интегрированные системы, состоящие из наборов

функционально различных компонент, способных к информационному

взаимодействию и часто объединенных единым пользовательским интерфейсом.

Данный уровень строится в соответствии с принципом "открытых систем" и

дополняется пакетами прикладных программ, интегрированными офисными

системами, электронной почтой, сетевыми приложениями, взаимодействующими с

аппаратурой общего доступа: принтерами, факсами. Наконец, наиболее сложные

задачи решаются специализированными профессиональными системами,

поддерживающими АРМ - комплекты технических средств определенной

конфигурации, оснащенные программным обеспечением для выполнения

конкретного класса работ. Это инженерные сооружения, графические станции,

системы автоматизированного проектирования и программирования, настольные

издательские системы и управляющие производственные средства.

2. ТЕХНОЛОГИЯ

Maltium ex parvo, parvum ex multo

(Многое из малого, малое из многого).

Латинское изречение

2.1. Микроэлектроника

В формируемом ежегодно в США перечне «критических технологий»,

оказывающих наибольшее влияние на военный и экономический статус страны,

микроэлектронные технологии традиционно занимают первое место. Создаваемые

по микроэлектронным технологиям сверхбольшие интегральные схемы (СБИС),

состоящие из большого числа транзисторов, размещенных на поверхности или в

объеме полупроводниковой пластины, и являются физической основой

современной компьютерной техники.

Критерием оценки сложности микросхемы является степень интеграции.

Она определяется коэффициентом

K = lg N

, где

– число, содержащихся в

микросхеме элементов. Значение К округляется до ближайшего большего целого

числа. Сверхбольшими считаются микросхемы с K ≥ 4, содержащие более 1000

элементов. Практически все цифровые микросхемы, используемые в настоящее

время при создании компьютеров, можно отнести к этой категории.

Для описания и анализа СБИС используются два уровня схемотехнического

представления. Первый наиболее детальный уровень – электрическая схема. Она

определяет электрические соединения элементов. На этом уровне определяется

набор элементов, их параметры и связи между ними. Второй уровень – структурная

схема. Она определяет функциональное соединение отдельных каскадов,

описываемых своими электрическими схемами.

Для производства интегральных схем используется

планарная

технология.

Суть её заключается в создании на кристалле полупроводниковых приборов и

связей между ними с помощью процесса

фотолитографии

. Для локального

изменения свойств полупроводника поверхность подложки защищается слоем

диоксида кремния

SiO

(

маской

), который в свою очередь покрывается

фоточувствительным материалом (

фоторезистом

). Для нанесения рисунка на

маску производится локальное облучение и обработка фоторезиста. При облучении

и проявке фоторезист частично разрушается. Затем производится травление

(удаление) участков окисла не защищенных фоторезистом. Конфигурация участков

поверхности маски, подлежащих удалению, задается фотошаблоном, через который

производится экспонирование рисунка на подложку. После удаления остатков

фоторезиста пластины подвергаются термической обработке в диффузионных

печах. В зоне с установленной температурой (несколько ниже температуры

плавления полупроводника) происходит диффузия – внедрение атомов примеси в

узлы кристаллической решетки. Диффузия происходит только на тех участках

подложки, которые не защищены окислом. В результате такой многократной

обработки в кристалле полупроводника формируются электронные (n) и дырочные

(р) области, образующие электронно-дырочные переходы.

На заключительной стадии на поверхности чипа создается до шести слоев

металлических соединений.

Электронно-дырочный переход

(p-n-переход

), обладающий односторонней

проводимостью является основным элементом интегральной схемы. На его основе

создаются транзисторы различных типов.

Основным элементом биполярных микросхем является транзистор типа n-p-

n. Кроме того, используются диоды на основе p-n-переходов и переходов металл-

полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы.

Основными элементами микросхем на полевых транзисторах являются n-

канальные

MOS-транзисторы

со структурой

«metal-oxide-semiconductor»

. Площадь

этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных. Но они

уступают биполярным по быстродействию. Наиболее перспективными в настоящее

время являются микросхемы на

комплементарных CMOS-транзисторах

индуцированными каналами n- и p-типа. Для этих микросхем характерна очень

маленькая потребляемая мощность.

Технология производства СБИС непрерывно развивается в направлении

увеличения плотности транзисторов на кристалле, роста числа слоев металлизации,

повышения тактовой частоты, уменьшения напряжения питания и снижения

мощности, затрачиваемой на переключение одного транзистора. Современный

уровень технологии позволяет производить схемы с проектными нормами 0,5…0,18

мкм, шестью слоями металлизации, площадью кристалла около 500 кв. мм и числом

транзисторов порядка 40 млн. Тактовая частота работы СБИС уже превышает 1ГГц.

Технологический предел уменьшения линейных размеров транзисторов на

кристалле составляет около 0,05 мкм. По прогнозам Ассоциации

полупроводниковой индустрии

(SIA - Semiconductor Industry Association)

физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической

микроэлектроники достигнут своих критических значений уже в первом

десятилетии двадцать первого века. К этому времени ожидается появление

интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с

помощью литографических установок неоптического экспонирования. При этом

произойдёт переход на пластины диаметра порядка 50 мм. Проблема

межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит

скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы будут

работать с частотой не менее 10 ГГц. При этом с ростом диаметра обрабатываемых

пластин резко возрастут издержки при производстве интегральных схем.

В последние годы к стадии использования в производстве подошел целый

ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов,

либо столько же заметно уменьшить размер кристалла без перехода на более

тонкий технологический процесс.

Первая из них - это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь

является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175

против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет

уменьшить сечение электрических соединений и увеличить производительности.

Одновременно, применение меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения

себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади кристалла.

Технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать

кристаллы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. Фирма

IBM

начала

предлагать клиентам эту технологию в начале 1998 года, в конце этого же года

своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов

TSMC

UMC

;

AMD

начинает выпуск медных процессоров Athlon в начале 2000 года,

Intel

планирует переход на 0.13 мкм «медный» техпроцесс 2002 году.

Новым является использование в качестве материала для подложек

соединения -

кремния с германием, SiGe

. Первый биполярный транзистор,

созданный с использованием SiGe, был продемонстрирован в 1987 году. В 1992

году появилась возможность применения при производстве кристаллов с SiGe-

транзисторами стандартной технологии CMOS с разрешением 0.25 мкм.

Результатом применения становится у в еличение скорости чипов в 2-4 раза по

сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во

столько же снижается и их энергопотребление. SiGe чипы можно производить на

тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных

кремниевых пластин. Потенциальная скорость транзистора на основе SiGe

составляет сегодня 45-50 ГГц, ведутся работы над увеличением этой цифры до 120

ГГц.

Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator,

SOI

)

– новая технология,

позволяющая скорость чипов примерно на 25% и одновременно снизить

энергопотребление. В процессе обработки кремниевой пластины - она покрывается

тонкой пленкой окисла кремния, а сверху опять наносится тонкий слой кремния. В

результате уменьшается емкость участков кремния и увеличивается скорость

переключения транзистора.

IBM

продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы

SRAM, созданные с использованием этой технологии, в 1999 году и объявила о

возможности сочетания SOI и медных соединений на одном кристалле.

В качестве диэлектрика при создании кристаллов вместо традиционного

диоксида кремния IBM предполагает использовать

полиамид

, а

Motorola

перовскиты

(титанат стронция

). Это, по их прогнозам, позволит в три-четыре

раза снизить толщину. В результате появляется возможность заметно увеличить

плотность транзисторов на чипе и уменьшить его энергопотребление.

Разработчики СБИС активно ищут способы уменьшения площади,

занимаемой на кристалле соединениями (сейчас более 60%). С этой целью

разрабатываются вертикальные структуры и интегральная схема становится

трёхмерной.

На пути дальнейшего совершенствования технологий кроме физических

ограничений стоят и экономические. Микропроцессор Intel 386, содержащий 250

тыс. транзисторов размером 3 мкм, выпускался на заводе стоимостью около 200

млн. долларов. Современный завод, производящий СБИС с проектными нормами

0,25 мкм стоит порядка 10 млрд. долларов.

2.2.Логические функции

Цифровые интегральные схемы оперируют с информацией, представленной

в дискретной двоичной форме логическими сигналами 0 и 1. Они выполняют

операции

алгебры логики

или

булевой алгебры,

названной по имени английского

математика Джорджа Буля, обобщившего в середине XIX века опыт человечества

в области построения правильных умозаключений. Символы 0 и 1 в алгебре логики

не имеют количественного смысла и употребляются для обозначения и

исчисления

высказываний.

Примерами высказываний могут служить

силогизмы

встречающиеся, в частности, в одном из сочинений Леонарда Эйлера:

o силогизм 1: всякое А есть В. но некоторые С есть А, следовательно,

некоторые С суть В;

o силогизм 2: всякое А есть В, всякое С есть А, следовательно, всякое С есть

В.

Таким образом, высказывания приписывают (предицируют) субъекту

(предмету) какое-то свойство (предикат) или отрицают его.

Исчисление высказываний восходит к трудам Аристотеля, посвященным

правилам умозаключений. В эпоху средневековья силогистика Аристотеля была

усложнена до уровня весьма изощренной и во многом казуистической науки –

схоластики, не имеющей математического описания.

Булева алгебра определяется как класс S объектов A, B, C в котором

определены две бинарные операции, обозначаемые как логическое сложение и

логическое умножение, со свойствами:

o S содержит элементы 1 и 0 такие, что А∨0=А, А∨1=1, А⋅1=А, А 0=0;

o Для каждого объекта А класс S содержит

(дополнение или инверсия)

такое, что

0,1

=⋅=∨

AAAA

;

o Для объектов А ,В и С справедливы основные тождества:

Коммутативный

(переместительный) закон :

ABBA

⋅=⋅

ABBA

∨=∨

Ассоциативный

(сочетательный) закон

CBACBA

⋅⋅=⋅⋅

)()(

CBACBA

∨∨=∨∨

)()(

Дистрибутивный

(распределительный) закон.

ACABBBA

∨=∨

)(

)()()(

CABABCA

∨⋅∨=∨

Правило склеивания:

ABAA

=∨

)(

AABA

=∨

Правило повторения

AAA

=⋅

AAA

=∨

Правило двойного отрицания

()

Теорема де Моргана

()

BABA

∨=⋅

()

BABA

⋅=∨

Все возможные булевы функции двух переменных перечислены в

следующей таблице:

A 0 0 1 1 Наименование Логическое

В 0 1 0 1 функции выражение

F0 0 0 0 0 Константа 0 0

F1 0 0 0 1 Конъюнкция А и В

⋅

F2 0 0 1 0 Запрет В

⋅

F3 0 0 1 1 Тождественность А

F4 0 1 0 0 Запрет А

⋅

F5 0 1 0 1 Тождественность В

F6 0 1 1 0 Исключающее ИЛИ

BABA

⋅∨⋅

F7 0 1 1 1 Дизъюнкция А и В

∨

F8 1 0 0 0 Стрелка Пирса

∨

F9 1 0 0 1 Равнозначность А и В

BABA

⋅∨⋅

F10 1 0 1 0 Инверсия В

F11 1 0 1 1 Импликация от В к А

∨

F12 1 1 0 0 Инверсия А

F13 1 1 0 1 Импликация от А к В

∨

F14 1 1 1 0 Штрих Шеффера

⋅

F15 1 1 1 1 Константа 1 1

На основе простейших логических элементов реализуются типовые

логические схемы

комбинационной

последовательностной

логики.

Комбинационные схемы не содержат элементов памяти. Их

функционирование описывается таблицами истинности или логическими

уравнениями, в которых выходные переменные однозначно зависят от входных.

Типовыми комбинационными схемами считаются:

Дешифратор (decoder) -

схема

преобразующая двоичную информацию в

позиционный код, используемый для выбора отдельных блоков в составе

устройства;

Шифратор (coder) -

устройство

преобразующие отдельные воздействия в

двоичные коды;

Мультиплексор (multiplexer)-

устройство

осуществляющие коммутацию

логических сигналов;

Сумматор (adder) -

устройство

выполняющие операции сложения и

вычитания;