Машина ЭВМ

Архитектура ЭВМ

Лектор: к.т.н., доцент, Попов Алексей Юрьевич

Цель дисциплины: получить знания и навыки, необходимые для проектирования и эффективного использования современных аппаратных вычислительных средств.

Задачами дисциплины является изучение: принципов организации ЭВМ; методики проектирования ЭВМ и устройств, их составляющих.

ЛИТЕРАТУРА Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 800 с.: ил. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2004. – 668 с.: ил. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

I. Введение

История развития вычислительной техники.

Механические вычислительные устройства.

Абак

Машина Паскаля

Машина Лейбница

Машина Бэбиджа

Современные механические машины

2007

Архитектура ЭВМ

3

Электромеханические счетные машины

Машины Конрада Цузе (Z1, Z2, Z3, Z4)

- Z1 – полностью механическая машина (1936); - Z2 – использование реле в арифметическом устройстве (1939); - Z3 и Z4 – электромеханические машины с механической памятью (1941 и 1945).

Машина Z4

Машина Z3

2007

Архитектура ЭВМ

4

Классификация ЭВМ

Классификация ЭВМ по назначению: Общего назначения Супер ЭВМ Минисупер ЭВМ Мэйнфреймы Серверы Рабочие станции Персональные компьютеры Ноутбуки Портативные компьютеры Специализированные

Классификация ЭВМ по режимам работы: Однопрограммные Мультипрограммные Мультипрограммные в составе систем ЭВМ в системах реального времени

Классификация ЭВМ по количеству потоков команд и данных: ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных (ОКОД, SISD); ЭВМ с одним потоком команд и многими потоками данных (ОКМД, SIMD); ЭВМ с многими потоками команд и одним потоком данных (МКОД, MISD); ЭВМ с многими потоками команд и многими потоками данных (МКМД, MIMD).

Классификация ЭВМ по структуре: Однопроцессорные Многопроцессорные

2007

Архитектура ЭВМ

10

Основные характеристики ЭВМ

Общий коэффициент эффективности

2007

Архитектура ЭВМ

12

II

Арифметические основы ЭВМ.

Системой счисления называется совокупность правил для представления чисел с помощью символов (цифр).

Позиционная система счисления: (…a3a2a1a0.a-1a-2a-3…)= … + a3b3+a2b2+a1b1+a0+a-1b-1+a-2b-2+a-3b-3

Системы счисления, используемые в ЭВМ: - Двоичная (0,1) - Десятичная (0,…,9) - Восьмеричная (0,…,7) - Шестнадцатиричная (0,…,9,A,B,C,D,E,F) - Двоично-десятичная (0000,…,1001) - Шестидесятиричная (0,...,59) - Троичная (-1,0,1)?

Преобразование из двоичной системы счисления в десятичную: 1011.012 = 1*23+0*22+1*21+1+0*2-1+1*2-2 = (8 + 2 + 1 + 0.25)10 = 11.2510

Преобразование из двоичной системы счисления в восьмеричную: 101111012 = 010 111 101 = 2758

Преобразование из двоичной системы счисления в шестнадцатиричную: 101111012 = 10 11 1101 = BD16

2007

Архитектура ЭВМ

14

Числа в ЭВМ: Числа с фиксированной запятой (позиция разделителя

дробной и целой части заранее определена) Числа с плавающей запятой (позиция разделителя определяется с помощью порядка числа)?

Числа с плавающей запятой:

Пример: 0,0110000 * 10011 2= 0,375 * 2310= =0.0011000*101002=0.1100000*100102=0.75*2210

X = sp*q q – мантисса числа X; P – порядок числа S – основание характеристики (для двоичной системы S=2); SP - характеристика

Сравнение числе с Ф.З и с П.З.: У Ч.П.З. Большой диапазон представления Арифметика над Ч.П.З. более сложная

Для представления порядка используется смещенный код, в котором знаковый разряд инвертирован. Это позволяет легко сравнивать порядки чисел

2007

Архитектура ЭВМ

18

Проектирование комбинационных схем

Проектирование комбинационных схем заключается в определении выходного слова в виде функции алгебры логики от входного слова

Любую функцию можно образовать посредством базисных операций: Отрицания, дизъюнкции и конъюнкции.

Дизъюнктивной (конъюнктивной) нормальной формой называется равносильная ей формула, представляющая собой дизъюнкцию (конъюнкцию) элементарных конъюнкций (дизъюнкций).

ДНФ и КНФ не являются самым простым способом задания ФАЛ. Для минимизации нормальных форм применяют карты Карно

2007

Архитектура ЭВМ

21

Биполярный транзистор

Режимы работы биполярного транизистора: - Активный режим (эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт). - Отсечка (эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход закрыт). - Насыщение (эмиттерный переход открыт, коллекторный переход открыт). - Инверсное включение (эмиттерный переход закрыт, коллекторный переход открыт).

Электроны через открытый эмиттерный переход попадают в базу. Рекомбинация электронов в базе (1-5 % электронов) определяет ток базы. Под действием поля запертого перехода электроны переносятся в коллектор.

Iб<<iэ, iк=?iэ+iк0, iк0 – обратный ток коллектора iк=iэ-iб= ?iэ, ?=0,95…0,98 – коэффициент передачи тока эмиттера

2007

Архитектура ЭВМ

27

Три схемы включения транзистора

Схема с общей базой (ОБ)?

Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iк, Uвых= IкRн Iвх= Iэ, Uвх= Uэб Uкб=Eк- Uвых= Eк- IкRн

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления по мощности:

Вывод: Схема с общей базой малоприменима из-за KIб

2007

Архитектура ЭВМ

28

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Входные в выходные токи и напряжения: Iвых= Iк, Uвых= IкRн Iвх= Iб, Uвх= Uэб Коэффициент передачи тока: ?=10…100

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления по мощности:

Вывод: Все коэффициенты больше, чем у схемы с общей базой

2007

Архитектура ЭВМ

29

Полевой транзистор

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Полевой транзистор с изолированным затвором

При меньшении Uзи (Uзи>0) обедненный слой увеличивается. Это приводит к уменьшению тока Iси

Канал может быть заранее изготовлен благодаря внедрению примеси (транзистор со встроенным каналом) или может образовываться при некотором Uзи

2007

Архитектура ЭВМ

31

Условные обозначения различных типов полевых транзисторов

2007

Архитектура ЭВМ

32

V. Элементная база ЭВМ

Представление информации физическими сигналами

Потенциальный способ

Импульсный способ

В качестве аналогов значений 0 и 1 используются два различных свойства сигнала: - значение напряжения или тока при потенциальном способе; - наличие или отсутствие импульса при импульсном. - фаза сигнала при фазовом способе;

Сигнал переходит из одного состояния в другое с некоторым запаздыванием - задержкой.

2007

Архитектура ЭВМ

33

Системы логических элементов

Система логических элементов – функционально полный набор логических элементов, объединяемых общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами и использующих одинаковый способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей

Статические характеристики цифровых интегральных схем

- Входная характеристика: зависимость входного тока Iвх от входного напряжения Uвх. - Передаточная характеристика: зависимость выходного напряжения Uвых от входного Uвх. - Выходная характеристика: зависимость выходного тока Iвых от выходного напряжения Uвых

2007

Архитектура ЭВМ

34

Статические параметры цифровых интегральных схем

- Выходной ток логического нуля: Iвых0 - Логический перепад: dUл=U1-U0 - Входное сопротивление: Rвх - Выходное сопротивление: Rвых - Мощность потребления в состоянии логического нуля: Pп0 - Мощность потребления логической единицы: Pп1 - Средняя мощность потребления: Pпср - Напряжение источника питания: Uип - Диапазон рабочей температуры: tmin…tmax - Коэффициент объединения по входу: Kоб - Коэффициент разветвления по выходу: Kраз

- Напряжение логической единицы: U1 - Напряжение логического нуля: U0 - Пороговое напряжение: Uпор - Входной ток логической единицы: Iвх1 - Входной ток логического нуля: Iвх0 - Выходной ток логической единицы: Iвых1

2007

Архитектура ЭВМ

35

Динамические параметры цифровых интегральных схем

- Время перехода из «1» в «0» (t1,0) и из «0» в «1» (t0,1) - Время задержки включения tзд1,0, tзд0,1 - Время задержки распространения при включении/выключении tзд.р.1,0, tзд.р.0,1 - Длительность сигнала tи. - Рабочая частота переключения fп - Динамическая помехоустойчивость - Динамическая мощность

Динамические характеристики цифровых интегральных схем

-Динамическая нагрузочная характеристика tзд.р.1,0=f(Краз), tзд.р.0,1=f(Краз) - Зависимость мощности потребления от частоты входного сигнала Pп=f(fп). - Амплитудно- временная характеристика Uп=f(tп), Iп=f(tп)?

2007

Архитектура ЭВМ

36

Базовые логические элементы

Варианты подключения нагрузки к транзисторному ключу

Транзисторный ключ на биполярном транзисторе

Открытое состояние: Uвх=U1, транзистор в режиме насыщения, коллекторный переход открыт, Uкэ~0.3 В. Закрытое состояние: Uвх=U0, транзистор в режиме отсечки, ток через коллектор мал (Iко), Rкэ~?

2007

Архитектура ЭВМ

37

Логический элемент И-НЕ серии ТТЛ

2007

Архитектура ЭВМ

39

Базовый логический элемент серии КМДП

Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ

При 0?Uвх<Uпорn T2 закрыт, а T1 открыт. Uвых=U1. При Uпорn <Uвх=U1 T2 открыт, а T1 закрыт. Uвых=U0.

2007

Архитектура ЭВМ

40

Базовый логический элемент серии ЭСЛ

Эмиттерно-связанная логика использует переключатели тока в активном режиме, а не в режиме насыщения. В связи с этим не требуется время на рассасывание основных носителей заряда, что ускоряет переключение

2007

Архитектура ЭВМ

41

Основные технологические процессы для создания полупроводниковых

микросхем.

Термическая диффузия примесей: внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости

Ионное легирование: внедрение примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей

2007

Архитектура ЭВМ

44

Эпитаксия: процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую

кремниевую пластину, при котором получают пленку, продолжающую структуру пластины.

Термическое окисление: процесс, позволяющий получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида кремния.

Травление: процесс удаления поверхностного слоя не механическим, а химическим путем

2007

Архитектура ЭВМ

45

Нанесение тонких пленок: процесс создания проводников соединений,

резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками.

Металлизация: нанесение на кремниевую пластину сплошной металлической пленки

Фотолитография: процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для легирования, травления, окисления, напыления и других операций.

2007

Архитектура ЭВМ

46

Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры

2007

Архитектура ЭВМ

47

Последовательность формирования КМДП структуры

2007

Архитектура ЭВМ

48

Изготовление печатных плат

Основные операции для изготовления печатных плат: 1. Раскрой и шлифовка. 2. Получение защитного рельефа. 3. Травление меди с пробельных мест. 4. Получение отверстий. 5. Нанесение защитной маски. 6. Лужение. 7. Маркировка. 8. Контроль.

Однослойные (односторонние) печатные платы

Двухсторонние печатные платы

Многослойные печатные платы

2007

Архитектура ЭВМ

49