Лекция 4 Элементная база ЭВМ Содержание 1. Классификация элементов и узлов ЭВМ 2. Комбинационные схемы 3. Схемы с памятью 4. Проблемы развития элементной базы

1. Классификация элементов и узлов ЭВМ Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: элементы, узлы, блоки, устройства. 1. Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Такая детализация соответствует вполне определенным операциям преобразования информации, заложенным в программах пользователей. 2. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов информационных слов. 3. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.).

4. Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей. Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Схема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам (типу сигналов, назначению элементов, технология их изготовления и т.д.). Применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе представления сигналов единичному значению некоторой двоичной переменной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряжения), нулевому значению отсутствие импульса (рис. 1, а). При потенциальном или статическом представлении сигналов единичное значение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, а нулевое значение низким уровнем (рис. 1. б).

Рисунок 1 - Представление информации в ЭВМ: а импульсные сигналы; б потенциальные сигналы

Различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ. При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи. Обработка такой информации производится последовательно. Параллельный код предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают. Во всех ЭВМ используются и параллельно- последовательные коды.

По своему назначению элементы делятся на: формирующие, логические и запоминающие.

2. Комбинационные схемы Обработка входной информации в выходную обеспечивается преобразователями или цифровыми автоматами двух видов: комбинационными схемами и схемами с памятью. Комбинационные схемы (КС) это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у 1, у 2,..., у m ) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов Х= (х 1, х 2,..., х п ), поступающих в тот же момент.

Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу же при поступлении входных сигналов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие. Преобразование информации однозначно описывается логическими функциями вида У = f(X).

Логические функции и их комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры. Регулярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущими. В нерегулярных структурах такое построение отсутствует.

Из регулярных наиболее распространены: шифраторы/дешифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, коммутаторы.

1. Дешифраторы (ДШ - DC) это комбинационные схемы с n входами и m = 2 n выходами. Рисунок 2 - Структурная схема ДШ (а) и его обозначение на принципиальных электрических схемах (б)

Входы Выходы x1x1 x2x2 x3x3 y0y0 y1y1...y5y5 y7y Таблица истинности дешифратора

2. Шифратор (ШР - CD) решает задачу, обратную схемам ДШ, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов. Рисунок 3 - Структурная схема шифратора (а) и обозначение дешифратора на принципиальных электрических схемах (б)

Таблица истинности шифратора Входы Выходы x1x1 x2x2 x3x3 x4x4 x5x5 x6x6 x7x7 y0y0 y1y1 y2y

3. Схемы сравнения, или компараторы, обычно строятся как поразрядные. Они широко используются и автономно, и в составе более сложных схем, например при построении сумматоров. Рисунок 4 - Структурная схема (а) и обозначение компаратора на электрических схемах (б)

4. Комбинационный полусумматор. Принципы его построения и работы вытекают из правил сложения двоичных цифр. При сложении одноразрядных двоичных цифр можно выявить закономерности в построении и многоразрядных сумматоров. Рисунок 5 - Структурная схема полусумматора и обозначение полусумматора

3. Схемы с памятью Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Рисунок 6 - Обобщенная структура схемы с памятью

Выходные сигналы Y=(y 1,y 2,...,y m ) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов X=(x 1,x 2,...x n ), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q 1, q 2,..., q k ) - при этом различают текущий дискретный момент времени t и последующий (t+1) Передача значения Q между моментами времени t и (t+1) осуществляется обычно с применением двухступенчатой памяти и синхронизирующих импульсов (СИ). В качестве простейшего запоминающего элемента в ЭВМ используют триггеры.

Рисунок 7 Схема асинхронного RS-триггера: а схема; б обозначение на принципиальных электрических схемах; в временная диаграмма Прописные буквы в названиях триггеров (здесь и далее) обозначают: 1. R (Reset сброс) вход установки триггера в нулевое состояние, q=0; 2. S (Set установка) вход установки триггера в единичное состояние, q=1; 3. Т (Toggle релаксатор) счетный вход триггера; 4. J (Jerk внезапное включение) вход установки JK-триггера в единичное состояние, q=1; 5. К (Kill внезапное выключение) q=0.

4. Проблемы развития элементной базы (ЭБ) Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия и производительности ЭВМ - построение их на новейшей элементной базе. Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Наиболее перспективными в настоящее время считаются: 1. создание молекулярных и био компьютеров (нейрокомпьютеров); 2. разработку квантовых компьютеров; 3. разработку оптических компьютеров.

Молекулярные компьютеры Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать, на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые Hewlett-Packard и Калифорнийского университета доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана. Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер в 100 млрд. раз будет экономичнее современных микропроцессоров.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории персептрона искусственной нейронной сети, способной обучаться. Такие структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ: 1. параллельность обработки информа-ционных потоков; 2. способность к обучению и настройке; 3. способность к автоматической классификации; 4. более высокую надежность; 5.ассоциативность. Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС.

Квантовые компьютеры Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой. Основным строительным блоком квантового компьютера служит Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Есть эксперименты по созданию RISC-процессора на RSFQ- логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты таких ЭВМ.

Оптические компьютеры Идея построения оптического компьютера давно разрабатывается. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на много порядков ускорить быстродействие ЭВМ. Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных устройств.

Каковы же состояние и прогноз развития микропроцессоров в настоящее время? Основные конкуренты по производству интегральных разрядных микросхем фирмы Intel и AMD преодолели рубеж 3,5 ГГц. В ближайшем будущем основной путь – многоядерные процессоры, но следует ожидать выхода микропроцессора до 5 ГГц. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны.