Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Элементы — для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации Узлы — для обработки группы сигналов — информационных слов Блоки — реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов — функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др. ) Устройства — для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный Представление информации в ЭВМ: а – импульсные сигналы, б – потенциальные сигналы © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Коды передачи и представления информации в ЭВМ: последовательный (а) и параллельный (б) а б © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ По своему назначению элементы делятся на: • формирующие • логические • запоминающие © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители-формирователи и т. п. Логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с логическими функциями Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (1 или 0) © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Комбинационные схемы (КС) — это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у1, у2, …, уm) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов X = (x 1, x 2, …, xn), поступающих в тот же момент времени t Комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Дешифраторы (ДШ) — это комбинационные схемы с n входами и m=2 n выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из m выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Таблица истинности дешифратора Входы Выходы x 1 x 2 x 3 y 0 y 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 . . . y 5 . . . 0 0 0 1 0 0 . . . y 7 . . . 0 0 0 0 1 © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Логические зависимости дешифратора © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Структурная схема дешифратора (а) и обозначение дешифратора на принципиальных электрических схемах (б) © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Шифратор (ШР) — решает задачу, обратную схемам ДШ, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Таблица истинности шифратора Выходы Входы x 0 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 Y 0 y 1 y 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Логические зависимости шифратора © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Структурная схема шифратора (а) и обозначение шифратора на принципиальных электрических схемах (б) © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы сравнения или компаратор Таблица истинности компаратора Выходы Входы ai bi Yi 0 0 1 1 0 0 1 © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы сравнения или компаратор Логическая зависимость компаратора © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы сравнения или компаратор Структурная схема компаратора (а) и обозначение компаратора на принципиальных электрических схемах (б) © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Комбинационный сумматор Комбинационный полусумматор обеспечивает сложение двух двоичных цифр a 1 и b 1 , считая, что переносы из предыдущего разряда не поступают © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Таблица истинности комбинационного полусумматора Выходы Входы ai bi Si Pi 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 где Si — функция одноразрядной суммы Pi — функция формирования переноса © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Логические зависимости комбинационного полусумматора © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Структурная схема полусумматора (а) и обозначение полусумматора на принципиальных электрических схемах (б) © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Таблица истинности сумматора Входы Выходы ai bi pi Si Pi 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 где Si — функция одноразрядной суммы Pi — функция формирования переноса © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Логические зависимости сумматора © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Структурная схема одного разряда комбинационного сумматора: а — структурная схема одного разряда, b — условное обозначение © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ Структурная схема многоразрядного комбинационного сумматора © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Выходные сигналы Y=(y 1 , y 2, … , ym ) формируются: • по совокупности входных сигналов X=(x 1, x 2, … , xn ) • по совокупности состояний схем памяти Q=(q 1 , q 2, … , qk) Текущий дискретный момент времени t и последующий (t+1) момент времени © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Обобщенная структура схемы с памятью © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Триггер — простейший запоминающий элемент Триггер — автомат памяти , имеющий входы R (Reset — сброс), для установки элемента в «нулевое состояние» S (Set — установка) — для установки элемента в «единичное» состояние. При отсутствии сигналов R=S=0 элемент должен сохранять свое состояние до тех пор, пока не будут получены новые сигналы на входе R или S. © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Таблица переходов триггера Состояние qt+1 Входы R S qt qt Режим 0 0 0 1 Хранение 1 0 0 0 Установка 0 0 1 1 1 Установка 1 1 1 ? ? Запрещенное состояние © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Диаграмма Вейча для таблицы переходов триггера * * * - запрещенное состояние, * - значение функции 1 © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Диаграмма Вейча для таблицы переходов триггера С использованием запрещенных ситуаций, т. е. получаем В базисе И-НЕ © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Схема асинхронного RS-триггера: a – схема б – обозначение на принципиальных электрических схемах в – временная диаграмма © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. Синхронные RS-триггеры Схема синхронного однотактного RS-триггера © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. Т-триггер Таблица переходов T-триггера Входные сигналы Состояние qt Режим Xt 0 1 0 0 1 Хранение 1 1 0 Инверсия Логическая функция, реализуемая Т-триггером: © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. Т-триггер Схема триггера со счетным входом: a – функциональная схема б – условное обозначение в – временная диаграмма © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. JK-триггер Таблица переходов JK-триггера Входные сигналы Состояние qt Режим J K 0 1 0 0 0 1 Хранение 0 1 0 0 Установка 0 1 1 Установка 1 1 0 Инверсия © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. JK-триггер: a – функциональная схема б – условное обозначение б © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. D-триггер Таблица переходов D-триггера Входные сигналы Состояние qt Режим D 0 1 0 0 0 Установка 0 1 1 1 Установка 1 © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью. D-триггер: a – функциональная схема на основе RS-триггера б – функциональная схема на основе JK-триггера в – условное обозначение © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Схемы с памятью Типовые узлы ЭВМ: • регистры • счетчики • сумматоры © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Регистром называется узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи машинного слова Регистры могут также использоваться для некоторых операций преобразования данных: для сдвига кода числа (слова) на определенное число разрядов влево или вправо, для преобразования последовательного кода числа в параллельный и наоборот и т. д. © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ a – функциональная схема n-разрядного регистра, построенного на RS-триггерах б – условное обозначение регистра а б © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Функциональная схема регистра с выходными сигналами в «прямом» и «обратном» кодах. Схема выдачи информации из регистра © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Счетчик — это узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичного числа © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Таблица переходов трехразрядного счетчика Вход Состояния Режим x 000 001 010 011 100 101 110 111 0 1 000 001 010 011 100 101 110 111 000 Хранение Счет © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Организация счетчика на Т-триггерах: a – функциональная схема б – временная диаграмма © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Сумматор — это узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел Сумматоры: • накапливающего типа • комбинационного типа © МЦИТ ГУАП 2008
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ. Типовые узлы ЭВМ Упрощенная схема сумматора ЭВМ © МЦИТ ГУАП 2008
Направления развития микроэлектроники • Функциональная микроэлектроника
Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания, ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы.
В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы, и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.
Повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов (в отдельных случаях и миллионов) на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой. Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.
Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле.
В этом случае локальному объекту твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется
Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т. д. ).
Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т. е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.
Сверхпроводимость Оптические явления Плазменные явления Электрон-фононные взаимодействия Фазовые переходы Магнитные явления Эффекты накопления и переноса зарядов Поверхностные явления и электронный эффект Явления живой природы ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Оптоэлектроника Криоэлектроника ПЗС Хемотроника Резонатор ы Оптроны Фотоприем ники и излучатели Аналоги реле Голография Световоды Переключате ли Усилители Интегральна я оптика Оптоэлектро нные микросхемы Линии задержки Приборы на эффектах Джозефсона Диэлектрическая электроника Магнетоэлектроника Акустоэлектроника ЗУ Кварцевые фильтры ОЗУ СВЧ-ИМС Линии задержки Выпрямите ли Преобразо ватели Фильтры Усилители Преобразо ватели ЗУ Приборы на эффекте Ганна Биоэлектроника Генераторы МПД-ИМС ЗУ Интегратор ы Преобразов атели Рисунок 1. Основные направления функциональной микроэлектроники. Преобразов атели Усилители Нейронноп одобные элементы АЦП Искусствен ный интеллект Квантовая электрони ка
Оптоэлектроника
Оптические явления (когерентная и некогорентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнитооптика). Их свойства, связанные со свойствами светового потока, следующие: зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов; двухмерность светового потока, а следовательно, возможность многоканальной обработки информации; высокая несущая частота и, следовательно, большая полоса пропускания каналов обработки информации. Эти особенности стали основой интенсивно развивающегося направления функциональной микроэлектроники - оптоэлектроники.
Акустоэлектроника
Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. Такие явления, как генерация и усиление акустических волн потоком электронов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, обусловили появление нового направления функциональной микроэлектроники - акустоэлектроники. Особенность этих явлений заключается в малой скорости распространения акустических волн (1. 10*5 см/с) в отличие от электромагнитных волн (3. 10*10 см/с), что позволяет реализовать миниатюрные линии задержки, фильтры с заданными частотными свойствами, усилители СВЧ и др.
Магнетоэлектроника
Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), появление которых привело к созданию нового направления - магнетоэлектроники. Отличительной особенностью слабых ферромагнетиков является малая по сравнению с классическими магнитными материалами намагниченность насыщения. Это дает возможность управлять движением магнитных доменов, называемых пузырями, в двух и трех измерениях слабыми магнитными полями и осуществлять тем самым функции хранения, перемещения и обработки больших объемов информации.
Характерные размеры "пузырей", составлявших примерно 1 мкм, позволяют достичь, высокой плотности записи информации (1. 10*8 бит/см 2). Большое преимущество таких систем состоит в том, что хранение информации осуществляется без питания, а перемещение "пузырей" - малым рассеянием мощности. Ряд новых материалов - магнитных полупроводников, обладающих свойствами магнетиков и полупроводников, - позволяет создавать приборы с большой функциональной гибкостью. Исследование покоящихся и движущихся электрических неоднородностей (домены и шнуры) в однородных полупроводниках стимулировало создание функциональных интегральных микросхем.
Квантовая электроника
Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне привели к возникновению нового направления - квантовой или молекулярной микроэлектроники. К этому направлению относятся фазовые переходы в твердых телах и жидких кристаллах, сопровождающиеся резкими изменениями электрических, оптических и магнитных свойств. Обусловленная этим высокая чувствительность к внешним воздействиям позволяет легко, осуществлять ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных системах.
Приборы на эффекте Ганна
Элементы на основе эффекта Ганна. Помимо генераторов и усилителей СВЧ они позволяют создавать такие функциональные устройства, как импульсно-кодовые модуляторы, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, нейристорные линии задержки, полный ряд логических элементов, генераторы колебаний сложной формы, регистры сдвига и запоминающие устройства (ЗУ). На основе этих элементов могут быть созданы сверхбыстродействующие микросхемы (теоретически до 10 -12 нс), превосходящие по быстродействию лучшие кремниевые микросхемы, по крайней мере, на порядок при том же уровне рассеиваемой мощности.
Биоэлектроника
Явления живой природы, в частности на молекулярном уровне, позволяющие использовать принципы хранения и обработки информации в живых системах для создания сверхсложных систем обработки информации, приближающихся по своим функциональны; возможностям к человеческому мозгу (искусственный интеллект), а также решать проблему эффективной связи "человек - машина". Эти явления открывают новое направление - биоэлектронику. Развитие этого направления может привести к научно технической революции в электронике, последствия которой трудно предвидеть.
Функциональные микросхемы
Функциональные микросхемы, в которых используется эффект накопления и переноса зарядов. Такие приборы по существу представляют собой МДП-структуры, они весьма технологичны (число технологических операций в два раза меньше по сравнению с обычной МДПтехнологией). Приборы с переносом заряда (ППЗ), или приборы с зарядовой связью (ПЗС), могут стать основой построения логических схем, линий задержки, схем памяти и систем для получения изображений. Использование полевых транзисторов с нитридом кремния в качестве диэлектрика затвора позволяет преодолевать один из основных недостатков полупроводниковых ЗУ - потерю информации при отключении питания. Такие ЗУ дают возможность реализовать плотность размещения элементов до 108 элемент/см 2 при времени записи 10 -6 с.
Аморфные материалы классифицируют следующим образом: материалы с резко изменяющимся, значением удельного сопротивления (рис. 2, а); . материалы с отрицательным дифференциальным сопротивлением до 106 Ом (рис. 2, б); материалы с двумя управляемыми состояниями электропроводности (рис. 2, в); сопротивления этих материалов могут различаться на семь порядков, а время переключения составляет 10 -9 с; материалы с двумя устойчивыми состояниями переключения (рис. 2, г); функциональные материалы, объединяющие свойства перечисленных материалов (рис. 2 д).
Анализ вольт-амперных характеристик аморфных материалов показывает, что их проводимость в ряде случаев скачком изменяется на несколько порядков и сохраняется в таком состоянии неограниченно долго. Эти свойства аморфных материалов уже дали возможность построить пороговые переключатели, ячейки памяти, перестраиваемые ключи памяти с двумя устойчивыми состояниями. На основе аморфных полупроводников развиваются перспективные приборы - туннельные пленочные эмиттеры (рис. 3). По внешнему виду эти приборы почти не отличаются от конденсаторных структур типа "металл - диэлектрик - металл", однако принцип их работы иной. Пленка диэлектрика очень тонкая, способная пропускать токи до 0, 01 А, верхний электрод также достаточно тонкий (не более 50 нм).
Пленочная структура металл - диэлектрик - металл выполняет фактически функцию холодного катода, который в отличие от обычных катодов почти не шумит, обладает повышенной радиационной стойкостью и очень малыми размерами при большом токе эмиссии с единицы поверхности. Отметим, что интервал рабочих температур аморфных переключателей и ячеек памяти составляет от - 180 до +180°С.
Рисунок 3. Структура накаливаемого пленочного эмиттера: 1 – подложка; 2 – алюминий, золото или вольфрам; 3 – золото; 4 – Si. O 2 или Al 2 O 3; 5 – алюминий; 6 – грунтующий подслой из Si. O 2.
Принцип работы пленочных эмиттеров следующий. Электроны из катода (толщиной порядка 0, 5 мкм) попадают в диэлектрик и в зависимости от толщины аморфной пленки диэлектрика разгоняются в нем до больших скоростей либо рассеиваются со значительным потерями энергии. Толщину диэлектрика выбирают минимальной, однако такой, чтобы сохранялась сплошная структура пленки и не было частичных микропробоев диэлектрика. Рабочая толщина диэлектрика обычно не превышает 40 нм. Так называемые горячие электроны просачиваются через потенциальный барьер и мигрируют через наружный электрод в вакуум.
По внешнему виду эти приборы почти не отличаются от конденсаторных структур типа "металл - диэлектрик - металл", однако принцип их работы иной. Пленка диэлектрика очень тонкая, способная пропускать токи до 0, 01 А, верхний электрод также достаточно тонкий (не более 50 нм).
Приборы на эффектах Джозефсона
Когерентные свойства сигнала для создания ряда новых твердотельных функциональных приборов: генераторов синусоидальных колебаний, усилителей, умножителей, преобразователей частоты, фазовращателей, трансформаторов, линий задержки, нейристорных линий, логических элементов, ячеек памяти и т. д. Следует особо выделить специфическое физическое явление, основанное на квантовых когерентных свойствах носителей заряда - эффект Джозефсона. Суть его состоит в том, что через достаточно тонкую (порядка 2 нм) диэлектрическую прослойку между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствие разности потенциалов может протекать своеобразный туннельный ток, легко управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами.
Значения параметров приборов, основанных на этом эффекте, существенно превышают значения соответствующих параметров приборов интегральной микроэлектроники. Исследования показали, что быстродействие отдельных приборов на эффекте Джозефсона достигает 20 - 30 пс, а мощность рассеяния равна 100 н. Вт, т. е. во много раз меньше, чем в обычных интегральных микросхемах. Основная трудность при изготовлении таких приборов - получение стабильного диэлектрика при толщинах порядка 2 нм.
Скачать презентацию Вычислительные системы сети и телекоммуникации Элементная база ЭВМ
Презентация по микроэлектронике для лекций.ppt