Загальні відомості, визначення
Nbsp;
І.М. ЧЕРНЕНКО, О.І. ІВОН
ОСНОВИ
КОМП'ЮТЕРНОЇ
ЕЛЕКТРОНІКИ.
ЕЛЕКТРОННІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ВУЗЛИ КОМП'ЮТЕРІВ
Затверджено Міністерством освіти і науки
України як підручник для студентів вищих
технічних навчальних закладів
Дніпропетровськ, 2009
| УДК 621.396.6+004.31(075.8) ББК з973.2-04я73-5 Ч49 | Гриф надано Міністерством освіти і науки України згідно листа №1.4/18-Г-2338 від 24 грудня 2007 р. |
Рецензенти: В.І. Бойко - д-р техн. наук, проф., академік Академії наук вищої школи України, заслуж. діяч науки і техніки України, завідувач кафедри електроніки та автоматики Дніпродзержинського державного технічного університету; А.А. Зорі - д-р техн. наук, проф., заслуж. діяч науки і техніки України завідувач кафедри електронної техніки Донецького національного технічного університету; В.М Співак - к-т техн. наук, проф. кафедри звукотехніки та реєстрації інформації Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".
Черненко І.М., Івон О.І.
Ч49 Основи комп’ютерної електроніки. Електронні елементи та вузли комп’ютерів: Підручник.-Дніпропетровськ:, „Літограф”.-2009.–435 с., іл.
ISBN 978-966-2267-08-2
Викладено арифметично-логічні основи побудови і принципи функціонування елементів та вузлів комп’ютерної електроніки. Послідовно, починаючі з фізичних принципів роботи базових ключів комп’ютерної електроніки на біполярних і уніполярних транзисторах, розглянуто побудову і функціонування схем базових логічних елементів, тригерів, спеціальних елементів комп’ютерної техніки та цифрових вузлів комбінаційного і послідовнісного типів. Практична реалізація цифрових елементів та вузлів проілюстрована прикладами вітчизняних і закордонних аналогів мікросхем ТТЛШ і КМОНТЛ. Розглянуто фізичні принципи роботи елементів динамічної (DRAM), статичної (SRAM) і флеш-пам’яті та побудова на основі цих елементів запам’ятовуючих пристроїв комп’ютерної техніки.
|
|
|
Розраховано на студентів вищих технічних навчальних закладів.
УДК 621.396.6+004.31(075.8)
ББК з973.2-04я73-5
ISBN 978-966-2267-08-2
© І.М. Черненко, О.І. Івон, 2009
ЗМІСТ
Передмова............................................................................. 6
Перелік вживаних скорочень......................................................... 8
Розділ 1.Арифметичні основи обчислювальних
пристроїв...................................................................... 10
1.1. Загальні відомості, визначення............................................... 10
1.2 Способи представлення сигналів у обчислювальних
пристроях. Системи числення................................................. 11
|
|
|
Розділ 2.Електронні ключі........................................................ 19
2.1. Основні поняття. Класифікація, вимоги................................ 19
2.2. Ключі на біполярних транзисторах........................................ 21
2.2.1. Загальні поняття................................................................. 21
2.2.2. Статичний режим роботи ключового каскаду................ 23
2.2.3. Перехідні процеси в біполярному транзисторному
ключі................................................................................... 31
2.2.4. Ключі з підвищеною швидкодією.................................... 34
2.2.5. Ключі на транзисторах Шотткі з динамічним
навантаженням................................................................... 40
2.3 Ключі на польових (уніполярних) транзисторах................... 42
2.3.1 Загальні поняття, особливості........................................... 42
2.3.2 Ключі з динамічним навантаженням................................ 45
2.3.3 Ключі на комплементарних МОН – транзисторах.......... 49
2.3.4 Перехідні процеси в МОН-транзисторних ключах......... 54
2.3.5. Двоспрямований ключ...................................................... 59
Розділ 3.Математично-логічні основи цифрової техніки...64
3.1 Математичні основи функціонування елементів та вузлів
комп’ютерної електроніки....................................................... 64
3.1.1. Основні поняття алгебри логіки. Логічна функція........ 64
3.1.2. Основні закони алгебри логіки........................................ 67
|
|
|
3.1.3. Способи задання булевих функцій.......... ...................... 69
3.1.4. Елементарні логічні функції............................................. 74
3.1.5. Функціонально повні системи булевих функцій............ 78
3.1.6. Мінімінізація логічних функцій....................................... 79
Розділ 4.Логічні елементи цифрових пристроїв................... 87
4.1. Загальні поняття. Умовне зображення логічних елементів. 87
4.2 Параметри елементів цифрової електроніки........................ 90
4.3 Базові логічні елементи транзисторно-транзисторної
логіки Шотткі (ТТЛШ)........................................................... 96
4.3.1 Багатоемітерний n-p-n транзистор.................................. 96
4.3.2 Схема і принцип дії базового логічного
елемента ТТЛШ................................................................ 97
4.3.3. Резистор на вході базового логічного
елемента ТТЛШ............................................................... 113
4.3.4. Логічні елементи ТТЛШ з відкритим колектором....... 116
4.3.5. Логічні елементи ТТЛШ з трьома станами виходу..... 122
4.4 Базові логічні елементі на МОН-транзисторах.................... 126
4.4.1. Базові логічні елементи МОН-транзисторної логіки... 126
4.4.2. Базові логічні елементи КМОН-транзисторної логіки 128
4.4.3. Логічні елементи КМОНТЛ з відкритим стоком
|
|
|
і трьома вихідними станами........................................... 138
4.4.4. Монтажна логіка на елементах КМОНТЛ.................... 140
4.5. Логічні елементи на польових транзисторах структури
„метал-напівпровідник” з бар’єром Шотткі..................... 142
Розділ 5. Тригерні елементи пам’яті цифрових
пристроїв...................................................................... 155
5.1 Загальні поняття і класифікація тригерів............................. 155
5.2 Параметри тригерів................................................................. 158
5.3 Асинхронні і синхронні RS-тригери..................................... 160
5.3.1. Асинхронний RS-тригер................................................. 160
5.3.2. Синхронний RS-тригер................................................... 170
5.4 Асинхронні і синхронні D-тригери....................................... 176
5.4.1. Асинхронний D і DV-тригери........................................ 176
5.4.2. Синхронні D-тригери...................................................... 180
5.5. Асинхронні і синхронні JK-тригери.................................... 188
5.5.1. Асинхронний JK-тригер................................................. 188
5.5.2. Синхронний JK-тригер.................................................... 193
5.6. Т-тригер................................................................................... 204
5.7. Несиметричний тригер (тригер Шмітта)............................. 208
5.8 Приклади використання тригерів.......................................... 214
5.8.1. Усунення брязкоту контактів......................................... 214
5.8.2. Стартстопні пристрої...................................................... 216
5.8.3. Виділення поодинокого імпульсу з послідовності
тактових імпульсів........................................................... 221
Розділ 6.Спеціальні елементи цифрових пристроїв........... 226
6.1. Інтегрувальні та диференційні RC-ланцюги. Дія
аналогових електричних сигналів на логічні елементи..... 226
6.2. Формувачі............................................................................... 232
6.3. Генератори поодиноких імпульсів (одновібратори).......... 237
6.4. Генератори (мультивібратори)............................................. 243
Розділ 7.Функціональні вузли цифрових пристроїв..........257
7.1 Основні поняття, класифікація.............................................. 257
7.2 Комбінаційні функціональні вузли....................................... 258
7.2.1. Дешифратори................................................................... 258
7.2.2. Нарощування розрядності дешифраторів..................... 264
7.2.3. Шифратори....................................................................... 269
7.2.4. Мультиплексори.............................................................. 275
7.2.5. Нарощування розрядності мультиплексорів................ 281
7.2.6. Мультиплексор, як універсальний логічний елемент.. 284
7.2.7. Демультиплексори........................................................... 285
7.2.8. Перетворювачі кодів........................................................ 287
7.3. Комбінаційні арифметичні вузли......................................... 295
7.3.1. Загальна характеристика арифметичних вузлів........... 295
7.3.2. Однорозрядні двійкові суматори.................................... 297
7.3.3. Багаторозрядні двійкові суматори................................. 300
7.3.4. Двійково-десятковий суматор........................................ 306
7.3.5. Реалізація операції віднімання на двійкових
суматорах........................................................................... 308
7.3.6. Матричні помножувачі................................................... 309
7.3.7. Цифрові компаратори...................................................... 312
7.3.8. Використання двійкових суматорів для порівняння
чисел.................................................................................. 317
7.4. Послідовнісні вузли............................................................... 318
7.4.1. Загальна характеристика і класифікація регістрів....... 318
7.4.2. Паралельні (статичні) регістри....................................... 320
7.4.3. Регістри зсуву................................................................... 324
7.4.4. Загальна характеристика і класифікація лічильників... 336
7.4.5. Кільцеві лічильники........................................................ 339
7.4.6. Двійкові лічильники........................................................ 345
7.4.7. Двійкові лічильники з довільним і програмованим
коефіцієнтом лічби.......................................................... 363
Розділ 8.Напівпровідникові запам’ятовуючі пристрої
комп’ютера та їх елементи.................................... 373
8.1 Основні поняття, класифікація.............................................. 373
8.2 Параметри запам’ятовуючих пристроїв................................ 377
8.3. Структури адресних запам’ятовуючих пристроїв.............. 380
8.3.1. Загальні положення......................................................... 380
8.3.2. Запам’ятовуючі пристрої зі структурою 2D.................. 382
8.3.3. Запам’ятовуючі пристрої зі структурою 3D.................. 384
8.3.4. Запам’ятовуючі пристрої зі структурою 2DM.............. 385
8.4. Динамічні запам’ятовуючі пристрої та їх елементи........... 387
8.4.1. Запам’ятовуючий елемент DRAM................................. 387
8.4.2. Підсилювач-регенератор, регенерація DRAM.............. 391
8.5. Статичні запам’ятовуючі пристрої та їх елементи............. 394
8.6. Постійні запам’ятовуючі пристрої та їх елементи.............. 398
8.6.1 Масочні і одноразово програмовані ПЗП....................... 398
8.6.2. МОН-транзистори з плаваючим затвором.................... 402
8.6.3. МНОН-транзистори......................................................... 411
8.6.4. Флеш-пам’ять................................................................... 414
Список літератури....................................................................... 433
ПЕРЕДМОВА
Технічний та економічний рівень держави в значній мірі визначається розвитком її електронної промисловості. У теперішній час розвиток мікроелектроніки в державах СНД знаходиться у кризовому стані, а Україна, нажаль, за останні роки практично втратила свою електронну промисловість. Слід зазначити, що відставання у мікроелектронній галузі від передових держав (США, Японія) намітилося ще у СРСР, коли не був здійснений перехід до виробництва субмікронних інтегральних мікросхем. Це відставання посилилося при переході до ринкової економіки, де на перший план виходить конкурентна здатність продукції. Перспективи розвитку української мікроелектроніки складно передбачити, оскільки виведення її на сучасний рівень потребує вкладення величезних коштів. Державна підтримка на належному рівні на даний час є не реальною, оскільки навіть великі фірми - виробники мікроелектронної продукції, вимушені об’єднувати зусилля для акумулювання коштів на створення нових мікросхем мікропроцесорів, пам’яті тощо. В той же час Україна, яка займала друге місце серед республік СРСР по об’єму виробництва електронних виробів, на наш погляд, не може відмовитися від промисловості високих технологій, якою є цифрова мікроелектроніка.
Слід відмітити, що відсутність вітчизняних цифрових мікросхем сучасного рівня компенсується доступністю закордонної елементної бази, яка може бути використана для розгортання в Україні підприємств з виготовлення різноманітних електронних виробів контрольно-вимірювальної техніки автоматики та інших. Тому вивчення цифрових елементів і вузлів, на яких будуються мікросхеми сучасної цифрової електроніки, має важливе практичне значення.
В даному підручнику розглянуті принципи побудови і функціонування елементів і вузлів цифрової електроніки, яки використовуються в комп’ютерній схемотехніці. Оскільки на відміну від аналогової електроніки, цифрова електроніка базується на математичному апараті алгебри логіки, автори намагалися, як можна ширше, проілюструвати його використання для побудови схем елементів і вузлів комп’ютерної електроніки. Практична реалізація елементів і вузлів проілюстрована прикладами вітчизняних і закордонних аналогів мікросхем малого і середнього ступеня інтеграції. Останній розділ підручника, де розглянуті фізичні принципи роботи МНОН-транзисторів і МОН-транзисторів з плаваючим затвором та архітектура флеш-пам’яті, на думку авторів усуває практичну відсутність інформації з цих питань в навчальній літературі.
Підручник призначений для студентів спеціальностей, навчальні плани яких передбачають вивчення комп’ютер-ної електроніки, зокрема таких як „Комп’ютерні системи та мережі”, „Електроніка та мікроелектроніка”, „Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади”, „Радіофізика та електроніка”.
Підручник розраховано на читачів, які в обсязі університетського курсу вивчили вищу математику, фізику, знайомі з основами теорії електричних сигналів та кіл, параметрами та характеристиками біполярних і уніполярних транзисторів. Тому викладання навчального матеріалу починається безпосередньо зі схемотехніки базових електронних ключів та базових логічних елементів цифрової електроніки. Автори намагались зробити навчальний матеріал якомога глибоким і всебічним, при цьому застарілі технічні рішення не розглядались. В кожному розділі для перевірки ступеня засвоєння навчального матеріалу наведено список контрольних запитань.
Зміст підручника базується на навчальних програмах, які використовуються в навчальному процесі на факультеті фізики, електроніки і комп’ютерних систем Дніпропетровського національного університету і відповідають освітньо-підготовчій програмі відповідного напрямку Міністерства освіти і науки України.
Автори висловлюють щиру подяку рецензентам за цінні зауваження, що сприяли поліпшенню підручника.
Звичайно, в підручнику можна знайти вади, яких не змогли позбутися автори. Ми будемо раді, якщо ви повідомите нам про них. Наша адреса: 49010, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 72, ДНУ ім. О. Гончара.
Перелік вживаних скорочень
| АЛП | арифметично-логічний пристрій |
| АЦП | аналого-цифровий перетворювач |
| БЕТ | багатоемітерний транзистор |
| БіКМОН | технологія виготовлення цифрових мікросхем, які побудовані на базових логічних елементах ТТЛШ і КМОНТЛ |
| БФ | булева функція |
| БК | бістабільна комірка |
| ВАХ | вольт-амперна характеристика |
| ВІС | велика інтегральна схема |
| ВК | відкритий колектор |
| ДДНФ | досконала диз’юнктивна нормальна форма |
| ДКНФ | досконала кон’юнктивна нормальна форма |
| ДНФ | диз’юнктивна нормальна форма |
| ДТЛ | діодно-транзисторна логіка |
| ЕЗЛ | емітерно-зв’язана логіка |
| ЕОМ | електронна обчислювальна машина |
| ЗБа | загальна база |
| ЗЕ | запам’ятовуючий елемент |
| ЗЕм | загальний емітер |
| ЗКл | загальний колектор |
| ЗМ | запам’ятовуючий масив |
| ЗП | запам’ятовуючий пристрій |
| ІМС | інтегральна мікросхема |
| КМОН | комплементарна МОН-структура |
| КМОНТЛ | комплементарна МОН-транзисторна логіка |
| КНС | технологія кремній на сапфірі |
| КНФ | кон’юнктивна нормальна форма |
| КП | комірка пам’яті |
| ЛА | лінія адреси |
| ЛВ | лінія вибірки |
| ЛЕ | логічний елемент |
| ЛЗп | лінія записування |
| ЛЗпЗч | лінія записування-зчитування |
| ЛЗч | лінія зчитування |
| ЛІЗ МОН | лавинна інжекція заряду в структурі МОН |
| ЛС | лінія слова |
| МДН | структура „метал-діелектрик-напівпровід-ник” |
| МДНФ | мінімальна диз’юнктивна нормальна форма |
| МНОН | структура „метал-нітрид-оксид-напівпровід-ник” |
| МПЗП | масочний постійний запам’ятовуючий пристрій |
| МЕН | структура „метал-напівпровідник” |
| МКНФ | мінімальна кон’юнктивна нормальна форма |
| МОН | структура „метал-оксид-напівпровідник” |
| МОНТЛ | МОН-транзисторна логіка |
| НДО | негативний диференціальний опір |
| НЗП | напівпровідниковий запам’ятовуючий пристрій |
| ОЗП | оперативний запам’ятовуючий пристрій |
| ОНО | структура „оксид-нітрид-оксид” |
| ОПЗ | область просторового заряду |
| ПЗ | плаваючий затвор |
| ПЗЗ | позитивний зворотний зв’язок |
| ПЗП | постійний запам’ятовуючий пристрій |
| ППЗП | одноразово програмований постійний запам’ятовуючий пристрій |
| ПТШ | польовий транзистор з бар’єром Шотткі |
| ПХ | передаточна характеристика |
| РПЗП | репрограмований постійний запам’ятовуючий пристрій |
| ТДНФ | тупикова диз’юнктивна нормальна форма |
| ТТЛ | транзисторно-транзисторна логіка |
| ТТЛШ | транзисторно-транзисторна логіка Шотткі |
| ТШ | транзистор Шотткі |
| РПЗП-ЕС | РПЗП з електричним стиранням даних |
| РПЗП-УФ | РПЗП із стиранням даних ультрафіолетовим світлом |
| УФ | ультрафіолетовий |
| ЦАП | цифро-аналоговий перетворювач |
Розділ 1. АРИФМЕТИЧНІ ОСНОВИ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ
Загальні відомості, визначення
Термін „комп’ютер” є транскрипцією англійського слова computer, що означає обчислювач. Цей термін в українськомовній науковій літературі застосовується з 80-х років минулого сторіччя, як синонім поняття „електронна обчислювальна машина” (ЕОМ).
Згідно сучасним уявленням ЕОМ – це комплекс програмних і апаратних засобів, які призначені для автоматичної обробки інформації за заданим алгоритмом.
Електронні обчислювальні машини відрізняються одна від одної функціональними можливостями, технічними параметрами, конструктивними рішеннями, програмним забезпеченням, наборами сервісних послуг та іншим. Але при цьому всі ЕОМ містять подібні набори основних апаратних компонентів, сумісне функціонування яких надає їм властивості обчислювального пристрою.
У складі ЕОМ виділяють наступні компоненти:
1) системний блок;
2) монітор;
3) клавіатура;
4) вказівні пристрої (найчастіше „миша”);
5) периферійні пристрої.
Системний блокмістить основні складові комп’ютера. Найважливішим з них є материнська або системна плата.Розташовані на ній електронні модулі або чіпсети, а також центральний процесор і оперативний запам’ятовуючий пристрій (який також називається оперативною або основною пам’яттю) складають базовий комплект електроніки комп’ютера. Системний блок містить також зовнішні запам’ятовуючі пристрої - накопичувачі на жорстких магнітних дисках - вінчестери, накопичувачі на гнучких магнітних та компакт (CD-ROM) дисках, накопичувачі на магнітооптичних дисках і джерело електричного живлення.
З системним блоком з’єднані всі зовнішні (периферійні) пристрої: монітор (дисплей), принтер, модем, звукові колонки (динаміки), сканер та інші.
Електронні пристрої комп’ютера являють собою експлуатаційно неавтономну, але схемотехнічно завершену його частину, яка виконує самостійну функцію обробки або зберігання інформації. За конструктивно-технологіч-ною ознакою ці складові схемотехніки ЕОМ є інтегральними мікросхемами.Так відрізняють, наприклад, мікросхеми процесора, пам’яті, контролерів вводу-виводу та інші. Такі мікросхеми в сучасних комп’ютерах містять десятки мільйонів транзисторів. В свою чергу електронні пристрої комп’ютера складаються з сукупності більш простих схемотехнічних компонентів - електронних вузлів, схема яких містить десятки або сотні транзисторів. Такі вузли призначені для перетворення і зберігання багаторозрядних двійкових кодів, які звичайно називають словами і використовують для подання інформації в комп’ютері. До електронних вузлів відносяться дешифратори, шифратори, мультиплексори, суматори, цифрові компаратори, регістри, лічильники та інші. Схеми таких вузлів побудовані з компонентів, які в обчислювальній техніці прийнято називати електронними елементами. Схеми елементів як правило містять до десятка або трохи більше транзисторів. Електронні елементи ЕОМ призначені для:
1) виконання логічних функцій;
2) запису, зберігання і зчитування одного біту інформації;
3) формування, перетворення та підсилення сигналів.
Перелічені функції елементи ЕОМ виконують шляхом формування та обміну змінними у часі електричними напругами визначеної форми, які в комп’ютерній електроніці прийнято називати цифровими сигналами. Під цифровими сигналами розуміють електричні сигнали, які є дискретними за часом та величиною електричної напруги.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 274; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!