Элементная база цифровых устройств кратко

Обновлено: 05.07.2024

2.1. Особенности структуры и элементной базы цифровых БИС и СБИС.

Базовые логические элементы (ЛЭ) предназначены для: логического преобразования информации, представленной в двоичном коде; формирования потенциальных (токовых) уровней сигналов с электрическими характеристиками, соответствующими кодируемой информации на выходе элемента. Для реализации функциональных блоков цифровых БИС обычно используют маломощные базовые ЛЭ, имеющие невысокую нагрузочную способность, содержащие небольшое количество компонентов (транзисторов, диодов, резисторов) и занимающих на кристалле возможно меньшую площадь.

а) защиты внутренних цепей БИС от внешних электрических нагрузок; б) формирования внутренних для микросхем логических уровней; в) хранения информации в процессе ее обработки в БИС;

г) согласования уровней внешних сигналов, подаваемых на входы БИС, с внутренними;

д) усиления входных сигналов; е) повышения чувствительности, быстродействия и помехоустойчивости

Выходные ЭС БИС предназначены для:

а) формирования внешних логических уровней напряжения (тока); зашиты внутренних цепей БИС от внешних электрических перегрузок и помех;

б) усиления внутренних сигналов БИС; в) формирования необходимых длительностей фронтов выходных

г) обеспечения возможности работы нескольких устройств на одну линию связи.

2.2. Логические элементы и их характеристики

Основные параметры и характеристики логических элементов .

Логическое состояние элементов определяется значениями электрического потенциала на их входах и выходах. Элементы характеризуются следующей системой параметров: потенциалы, соответствующие 0 и 1; U 0 , U 1 , порог переключения U п , число входов (коэффициент объединения по входу) М; входные токи I 0 вх при U вх = U 0 и I 1 вх при U вх = U 1 коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность); устойчивость к помехам положительной и отрицательной полярности U п + , U п - ; мощность Р э или ток I п , потребляемые от

источника питания; задержки переключения t 01 3 из состояния 0 на выходе в состояние 1 и t 10 3 из состояния 1 в состояние 0. Параметры определяются по статическим и переходным характеристикам элементов.

Основной статической характеристикой логических элементов является передаточная характеристика U вых =f(U вх ) — зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала (U 0 или U 1 ) на остальных входах. По типу передаточной характеристики элементы делятся на инвертирующие , на выходе которых образуется инверсия входных сигналов (элементы НЕ, И—НЕ, ИЛИ—НЕ и др.), и неинвертирующие , сигналы на выходе которых не инвертируются элементы И, ИЛИ и др.).

V п - V п V п + U 1

Рис. 2.1. Передаточные характеристики инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) логических элементов

Типичная передаточная характеристика инвертирующего элемента показана на рис. 2.1,а, неинвертирующего — на рисунке 2.1,б. Так как в цифровом устройстве должно быть обеспечено четкое разделение (квантование) уровней логических 0 и 1, то передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка: I — соответствующий состоянию U вых = U 0 , II — состоянию U вых = U 1 , III — промежуточному состоянию. Значения потенциала U вх , соответствующие границам участков, называются порогами переключения V 0 п и V 1 п область между порогами — зоной неопределенности.

Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбоя в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определяется выражениями (рис. 2.1)

U + п = V п 0 – U 0 ; U - п = U 1 –V п 1

U + п – U - п = U л – V п ,

где U л = U 1 – U 0 — логический перепад: V п =V п 0 - V п 1 — ширина зоны неопределенности.

Таким образом, для повышения помехоустойчивости надо увеличивать U л и уменьшать V п . Поэтому в цифровых схемах обеспечивают V п л и приближенно можно считать V п 0 ≈ V п 1 ≈ V п , где V п — средний порог переключения.

Максимальная величина логического перепада ограничивается напряжением питания U л ип , вследствие чего получаем (U + п + U - п ) ип . Таким образом, сумма помехоустойчивостей U + п , U - п не превышает напряжения питания.

Чтобы одновременно получить достаточно высокие значения U + п , U - п , следует использовать такие схемы, в которых средний порог переключения V п располагается приблизительно посередине между U 0 и U 1 . В этом случае значения U + п и U - п равны и составляют

U + п ≈ U - п ≈ U п =0,5(U л - V п )≈ 0,5 U л ип

Передаточные характеристики реальных схем имеют определенный разброс, обусловленный различием внешних условий, разбросом параметров компонентов и другими факторами. При этом значения уровней U 0 , U 1 и порогов V п 0 , V п 1 заключены в диапазонах

U + п = V 0 п max - U 0 min , U - п = U 1 min - V 1 п max .

Передаточная характеристика зависит от потенциалов шин питания (U ип ) и земли (U з =0). Действие помех V ш , возникающих на этих шинах, можно представить как изменение потенциалов U` ип =U ип ±V ш , U` з =±V ш и определить получающуюся при этом передаточную характеристику. Помехоустойчивость находится с помощью этой передаточной характеристики как максимальная величина V ш , при которой сохраняются значения U + п , U - п >0.

Если на входы схемы или шины питания и земли поступают импульсные помехи амплитудой V и и длительностью t и , то при достаточно больших значениях t и их действие аналогично действию потенциальной помехи такой же величины. Импульсные помехи малой длительности, сравнимой с временем переключения схемы (t и 01 3 , t 10 3 ), не успевают произвести ложное переключение схемы даже при значительной их амплитуде V и . Таким образом, при уменьшении длительности помехи t и для создания сбоя требуется увели-

чение ее амплитуды, т. е. импульсная помехоустойчивость для большинства логических схем повышается при уменьшении длительности помехи.

Выходные характеристики логических элементов U 0 вых =f(I 0 н ) и U 1 вых =f(I 1 н ) показаны на рис 2.3.

Интегральная микросхема - это микроэлектронное изделие, состоящее из активных (транзисторов) и пассивных (диодов, резисторов, конденсаторов) элементов, а также из соединяющих их проводников, которое изготавливается в едином технологическом процессе в объеме полупроводника или на поверхности диэлектрического основания, заключено в корпус и представляет собой неразделимое целое. Иногда ее называют интегральной схема, иногда микросхемой, соответственно, возможны сокращенные обозначения ИМС, ИС, МС .

По технологии изготовления микросхемы делятся на три разновидности: полупроводниковые (самые распространенные), пленочные (почти не выпускаются) и гибридные (выпускают немного и выпуск сокращают).

В полупроводниковых микросхемах все элементы и их соединения изготавливаются в объеме (внутри) и частично на поверхности полупроводника. Иногда полупроводниковую микросхему называют твердотельной схемой, что является буквальным переводом с английского языка (solid state).

В пленочной микросхеме все элементы и их соединения выполнены в виде пленок из проводящих и диэлектрических материалов на диэлектрическом основании. В этих микросхемах нет транзисторов и диодов.

В гибридных микросхемах пассивные элементы и соединительные проводники изготавливают по пленочной технологии, а бескорпусные транзисторы и диоды, изготовленные отдельно по полупроводниковой технологии, соединяют тонкими проводами диаметром 0,04 мм с контактными площадками.

По функциональному назначению микросхемы делятся на две категории:

– аналоговые, обрабатывающие сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции;

– цифровые, обрабатывающие цифровые сигналы.

Транзисторы, применяющиеся в цифровых микросхемах, бывают двух типов:

– обычные (n–p–n или p–n–p) биполярные транзисторы;

– полевые (униполярные) транзисторы.

В цифровых микросхемах применяются полевые транзисторы только с изолированным затвором, имеющие структуру: металл (затвор), диэлектрик (изоляция затвора), полупроводник (канал, сток–исток), сокращенно МДП, а так как в качестве диэлектрика обычно используется окись кремния, то обычно эти транзисторы, а также микросхемы на них сокращенно называют МОП. Чаще всего в цифровых микросхемах используют пары МОП транзисторов, дополняющие друг друга по проводимости канала, такие микросхемы называют КМОП от слова комплементарный, что означает дополняющий.

В зависимости от элементов, на которых собраны входные и выходные каскады микросхем, от схемных особенностей этих каскадов цифровые микросхемы делятся на несколько групп или, так называемых "логик" (здесь под словом "логика" подразумевается логический элемент или электронный ключ):

1. РТЛ, – резисторно–транзисторная логика, в которой на входах стоит резистивный сумматор токов, реализующий для положительной логики функцию ИЛИ; выходной каскад собран на транзисторном инверторе;

2. ДТЛ, – диодно–транзисторная логика, в которой на входах стоит несколько диодов, реализующих функцию И или ИЛИ; выходной каскад на транзисторах;

3. ТТЛ, – транзисторно–транзисторная логика, в логических элементах которой к входам подключены эмиттеры многоэмиттерного транзистора; с помощью этого многоэмиттерного транзистора реализуется функция И; выходной каскад собран на транзисторах;

4. ЭСЛ, – эмиттерно–связанная логика, в которой на входах стоят транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом;

5. nМОП, pМОП, – МОП логика, все элементы которой выполнены на МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторах с проводимостью канала n–типа (n–МОП) или p–типа (p–МОП);

6. КМОП, – логика, все элементы которой выполнены на двух типах МОП транзисторов nМОП и pМОП, дополняющих друг друга, комплементарных;

7. И 2 Л, – интегральная инжекционная логика, в которой отсутствуют резисторы; инжекция носителей в область базы транзистора осуществляется с помощью активных генераторов тока, выполненных на p–n–p транзисторах, тогда как сам базовый инвертор, – на n–p–n транзисторах.

По принятой у нас системе обозначение микросхемы должно состоять из четырех основных элементов:

1) цифра, соответствующая конструктивно–технологической группе (1, 5, 6, 7, – полупроводниковые микросхемы , из них 7, – бескорпусные; 2, 4, 8, – гибридные микросхемы ; 3, – прочие, в том числе пленочные, вакуумные, керамические и т.д.);

2) две, а в последнее время три цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем;

3) две буквы, обозначающие функциональное назначение микросхемы ; первая буква соответствует подгруппе (порядка двадцати подгрупп), вторая, – виду (от трех до семнадцати видов в подгруппе);

4) порядковый номер разработки данной микросхемы внутри своего вида в данной серии.

Номером серии микросхемы считают первые три или четыре цифры. Для микросхем, используемых в устройствах широкого применения, перед номером серии ставится буква К. Для характеристики материала и типа корпуса микросхемы после буквы К могут быть добавлены следующие буквы: Р, – для пластмассового корпуса второго вида, М, – для керамического, металлического и стеклокерамического корпуса второго типа. В конце обозначения микросхемы может быть добавлена буква, конкретизирующая один из основных ее параметров.

Например: КМ155ЛА3, К561ИЕ33, 564ЛА7, КР565РУ8Г.

Корпуса цифровых микросхем бывают в основном двух видов:

1. Планарные (плоские), у этих микросхем условное обозначение корпуса начинается с цифры 4; выводы числом от четырнадцати до сорока двух расположены с двух сторон микросхемы с шагом 1.25 мм, прямые, припаиваются, как правило, к дорожкам печатной платы на стороне установки микросхем; такие корпуса часто называют SOIC (small outline integrated cirquit, – микросхема в малом корпусе с выводами, не лежащими в одну линию). Иногда такой тип корпуса называют сокращенно, – SO.

Рис.3.1. Планарный корпус микросхемы

2. Корпус dip – dual in line package, – в две линии расположенные выводы (иногда этот тип корпуса называют DIL, иногда, чтобы указать, что корпус изготовлен из пластмассы – PDIP, plastic DIP), – корпус микросхемы, у которой обозначение корпуса начинается с цифры 2; выводы числом от четырнадцати до сорока двух с двух сторон микросхемы с шагом обычно 2,5 мм, изогнутые под углом 90 0 , припаиваются только в отверстиях печатных плат.

Рис. 3.2. DIP корпус микросхемы

Отечественные ТТЛ микросхемы в планарных корпусах часто имеют в обозначении серии вторую цифру 3 (133, 136), они обычно выпускаются для специального применения при температуре от – 60 0 C до 125 0 C, а в dip–корпусах имеют вторую цифру 5 (155,1531), выпускаются для широкого применения при температуре от – 10 0 C до 70 0 C.

Среди миниатюризированных современных корпусов микросхем, предназначенных для припаивания только на стороне установки микросхем, можно в качестве примера привести следующие:

– SOIC – small outline integrated circuit, при обозначении SN…DW

Рис.3.3. SOIC корпус микросхемы

За рубежом в обозначении ТТЛ микросхем имеются числа 54 для микросхем специального (военного) применения, и 74, – для широкого (гражданского) применения. Буквы в конце зарубежных обозначений означают: L, – низкое потребление мощности, но низкое быстродействие; H, – высокое быстродействие, но и большое потребление мощности; S, – с диодами Шоттки (Sсhottky); A, – улучшенные, перспективные от слова Advance (вольный перевод "аванс"); F, – быстрые от слова Fast – быстрый. В обозначение зарубежных КМОП (CMOS – Complementary Metal-Oxide-Stmiconductor) микросхем обычно входит число 40 (CD4011B).

Американская фирма "TEXAS INSTRUMENTS", крупнейший в мире разработчик и производитель цифровых микросхем средней интеграции, в одном из своих проспектов опубликовала график, приведенный на рис. 3.4, которым, по мнению специалистов этой фирмы, можно охарактеризовать историю развития и перспективы использования различных серий цифровых микросхем.

Рис. 3.4. Жизненный цикл микросхем различной технологии по данным американской фирмы "TEXAS INSTRUMENTS" :

V/ LVC Низковольтная CMOS логика;

LVT Низковольтная технология;

ALVC Усовершенствованная низковольтная CMOS логика;

ABT Усовершенствованная BiCMOS технология;

BCT BiCMOS технология;

F Биполярная технология серии 74F;

AC/ACT Усовершенствованная CMOS логика;

HC/HCT Высокоскоростная CMOS логика.

3.1.2. Параметры цифровых микросхем

Параметры цифровых микросхем делятся на три группы: статические, динамические и интегральные.

Статические параметры цифровых микросхем характеризуют микросхему в статическом (установившемся) режиме. К ним относятся:

1. Напряжение источника питания U_пит. [В] и допуск на его изменение DU_пит. (для ТТЛ DUпит. = ± 5; 10 %; для большинства же серий КМОП допустимо питание в пределах от 3 до 15 В).

На рис.3.5 стрелками, направленными вниз, показаны типовые, наиболее часто встречающиеся значения уровней логического нуля и единицы, а стрелками, направленными вверх, показаны типовые значения порогов переключения микросхем.

4. Коэффициент разветвления по выходу (это число входов микросхемы данной серии, которые допустимо подключать к данному выходу микросхемы), обычно для ТТЛ К_разв.=10, для КМОП К_разв.=50 … 100.

5. Коэффициент объединения по входу К_об. (обычно это число входов данной микросхемы ). Как правило К_об. = 2; 3; 4 и 8. Если нужно другое число, то применяют специальные микросхемы, – расширители, или собирают схему по законам булевой алгебры.

6. Потребляемая мощность (статическая) обычно рассматривается как полу сумма мощностей, потребляемых при нуле и при единице:

Мощность, потребляемая микросхемами в реальных режимах работы, существенно зависит от частоты их переключения, как это показано на рис.3.1.6.

Рис.3.5. Области допустимых значений входных и выходных напряжений ТТЛ и КМОП микросхем при напряжении их питания +5В и +12В.

7. Помехоустойчивость (статическая) Uпом. – допустимое напряжение помех на входе микросхемы , определяется из двух значений:

Из этих двух значений выбирается меньшее. Эти значения помехоустойчивости даны для предельных значений питающих напряжений, температуры окружающей среды и др. условий. Реальная помехоустойчивость микросхем примерно в два раза лучше, чем определяемая по приведенной формуле.

Рис.3.6. Зависимость мощности, потребляемой микросхемами различных серий, от частоты переключения:

a – ТТЛ микросхемы серии КР1531 (F);

b – ТТЛ микросхемы серии К555 (LS);

c – ТТЛ микросхемы серии КР1533 (ALS);

d – КМОП микросхемы серии 1564 (HCT);

e – КМОП микросхемы серии К561 и КР1561 (74C);

f – КМОП микросхемы серии КР1554 (ACT).

Рис. 3.7. Области допустимых значений входных и выходных напряжений ТТЛ и КМОП микросхем при напряжении их питания +5 В и напряжения статической помехи при нулевом и единичном уровнях.

В зависимости от продолжительности помехи различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность которых больше времени переходных процессов, а динамическую, – с кратковременными помехами. Динамическая помехоустойчивость лучше статической за счет того, что от короткого импульса помех микросхемы просто не успевает переключиться.

Динамические параметры цифровых микросхем определяют максимальную частоту смены входных состояний, при которой не нарушается нормальное функционирование микросхем. Временные диаграммы, иллюстрирующие способы определения временных динамических параметров, показаны на рис. 3.8.

Рис.3.8. Временные диаграммы, иллюстрирующие способы определения временных динамических интегральных микросхем.

К динамическим параметрам цифровых интегральных микросхем обычно относят следующие:

1. Среднее время t_зд.р. задержки распространения переднего и заднего фронтов:

2. Длительность t 0,1 _Ф фронта выходного сигнала при перепаде от нуля к единице (от 0.1 до 0.9 амплитуды сигнала) и t 1,0 _Ф длительность фронта выходного сигнала при перепаде от 1 к 0 (от 0.9 до 0.1 амплитуды сигнала), как это показано на рис.3.6.

3. Максимальная частота переключения:

Интегральные параметры цифровых микросхем отражают уровень развития технологии и схемотехники, а также качество цифровых микросхем:

1. Энергия переключения [пДж].

2. Степень интеграции , где n, – число простых логических элементов (2И–НЕ) на кристалле (при N = 2 микросхемы обычно называют схемами средней интеграции, – СИС; при N = 3 микросхемы обычно называют схемами большой интеграции, – БИС; при N = 4 микросхемы обычно называют схемами сверх большой интеграции, – СБИС).

А 86 Электроника:конспект лекций / А. Д. Артемов – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 88 с.

В конспекте лекций отражены основные сведения по электронике, необходимые при разработке электронных устройств. Описаны пассивные и активные компоненты электронных цепей. Представлены свойства биполярных и полевых (униполярных) транзисторов, аналоговых и аналого-цифровых микросхем, интегральных микросхем, оптоэлектронных элементов. Изложены основные положения схемотехники цифровых микросхем. В лекциях отражены последние достижения в элементной базе, при этом уделено внимание схемотехнической реализации функций электронных устройств. Представлена содержательная часть микропроцессоров RISC архитектуры, сведения о компьютерном моделировании электронных устройств.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 681.51 (078)

ББК 32.973 я 73

ВВЕДЕНИЕ

Электроника – это область науки и техники, которая занимается изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, принцип действия которых основан на протекании электрического тока в вакууме, газе, в твердом теле. Такими приборами являются: электронные приборы (ток в вакууме), ионные приборы (ток в газе), полупроводниковые приборы. В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые приборы.

Часть электроники, которая занимается вопросами применения различных приборов, называется промышленной электроникой. Она разделяется на два направления.

1. Информационная электроника занимается вопросами управления различными процессами. К устройствам информационной электроники относятся: аналоговые усилители и преобразователи сигналов, генераторы сигналов, оптоэлектронные устройства, логические элементы, цифровые устройства, микропроцессорные системы. Они предназначены для измерения, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

2. Энергетическая (силовая) электроника занимается преобразованием параметров электроэнергии. К устройствам энергетической электроники относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения.

Широкое применение информационной электроники базируется на возможности замены трудно измеряемых физических процессов соответствующими электрическими параметрами. Это позволяет относительно просто, в минимальных физических объемах, при высоком быстродействии и надежности функционирования реализовать требуемый алгоритм обработки информации, используемой в системах измерения, контроля и управления реально протекающих процессов. Подобные системы включают, как правило, три функциональных блока:

блок преобразования физической величины, преобразующий состояние процесса или объекта в соответствующий параметр электрического сигнала – датчик (первичный преобразователь);

блок преобразования электрических сигналов в электрические сигналы по заданному алгоритму – электронное устройство;

блок преобразования электрического сигнала в величину, с помощью которой осуществляется воздействие на состояние процесса или объекта – исполнительное устройство.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Классификация

Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передаче управления подразделяются на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывные).

Аналоговые электронные устройства предназначены для приема и передачи электрического сигнала, изменяющегося по закону непрерывной (аналоговой) функции. В аналоговом электронном устройстве (АЭУ) каждому конкретному значению реальной величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного параметра постоянного или переменного тока. Это может быть напряжение или ток на участке электрической цепи, его частота, фаза и т. п.

Достоинством АЭУ являются: теоретически максимально допустимая точность и быстродействие; простота устройства.

Недостатками АУЭ являются: низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств от внешних дестабилизирующих воздействий: температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т. п., большие искажения при передаче на значительные расстояния; трудность долговременного хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства (ДЭУ)предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных путем квантования по времени и/или уровню исходной аналоговой функции. Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины, отображенной в виде различных параметров импульсов напряжения или тока. Кроме конкретных значений параметров и их изменения для передачи информации используют последовательность или перепады импульсов. Основные параметры импульсных последовательностей, используемых в ДЭУ для отображения информации об импульсах и перепадах напряжения, изображены на рис. 1. а, б.

Рис. 1. Основные параметры импульсов (а) и перепадов напряжения (б)

U_m – амплитуда импульса или перепада: наибольшее отклонение напряжения от исходного, установившегося значения U₀.

t_Ф, t_СП – длительность фронта и спада импульсов – временной интервал между моментами, в которые мгновенное напряжение удовлетворяет условию 0,1 U_m + и отрицательного t_Ф .

t_И – длительность импульсов – временной интервал между моментами на соседних интервалах t_Ф и t_СП, для которых u = 0,5 U_m.

T – период следования импульсов – временной интервал между моментами на соседних интервалах t_Ф и t_СП, для которых u = 0,5 U_m.

Величина f = 1 / T называется частотой следования импульсов;

t_n = T – t_И – длительность паузы между импульсами;

К_З = t_И / Т – коэффициент заполнения импульсов;

γ = Т / t_И – скважность импульсов.

К достоинствам ДЭУ следует отнести следующие.

1. В дискретных устройствах Р_И и Р_СР мощности связаны соотношением

При большой скважности (γ → ) можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением.

2. В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в режиме (включено – выключено), при которых мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора

где Р_И = I_ИU_И – полезная мощность нагрузочного устройства;

Р_И _max = I_ИU_П2 – мощность, рассеиваемая в выходной цепи усилительного прибора; U_П и U_П2 – напряжения нагрузочного устройства и выходной цепи.

3. Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Меньшее тепловыделение в режиме ключа.

4. Помехоустойчивость ДЭУ выше, чем АЭУ, так как при передаче импульсов сокращается время, в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.

5. ДЭУ характеризуется применением однотипных элементов в каналах передачи и хранения информации.

Указанные достоинства ДЭУ обусловили их широкое применение во многих областях как в силовой, так и информационной электронике.

По типу квантования сигнала ДЭУ делятся на три подкласса: импульсные, релейные и цифровые.

Импульсные электронные устройства реализуют квантование исходного сигнала по времени и преобразуют их в последовательность импульсов, как правило, неизменной частоты, хотя и нарушается непрерывность сигналов (информация) во времени, сами значения для выбранных моментов времени точно соответствуют значениям – непрерывность сигнала по величине сохраняется.

Релейные электронные устройства(РЭУ) реализуют квантование исходного сигнала по уровню и преобразуют его в ступенчатую функцию, высота каждой из ступенек пропорциональна наперед заданной величине. Изменение уровня сигнала происходит в произвольные моменты времени, определяемые только заданными уровнями и величиной. Поэтому аналогично с ИЭУ в моменты формирования ступенек сигнал точно отражает значение исходного уровня по величине и времени. Следовательно, при дискретизации представления по величине в РЭУ сохраняется непрерывность отображения по времени.

Особенная область применения РЭУ связана не с преобразованием информации, а с преобразованием энергии, т. е. с силовой электроникой.

Цифровые электронные устройства(ЦЭУ) реализуют квантование исходного сигнала как по времени, так и по величине, поэтому в фиксированные моменты времени такие сигналы соответствуют приближенным значениям. Однако в любом случае сигнал имеет конечное число его значений.

Конечному числу дискретных значений исходной физической величины можно поставить в соответствие некоторое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью чисел называется кодом сигнала.

Устройства, занимающиеся формированием, преобразованием и передачей кодов, поставленных в соответствие реальным значениям физических переменных, называют цифровыми устройствами.

Достоинства ЦЭУ: высокая помехоустойчивость; высокая надежность; возможность длительного хранения информации без ее потери; экономичность, обусловлена высокой технологичностью и повторяемостью устройств; а также совместимость с интегральной технологией.

Элементной базой в ЭВМ называется их основная электронная составляющая. Эта составляющая меняется в зависимости от поколения компьютеров. Поколения элементной базы ЭВМ объясняют историю развития компьютеров на основе эволюционирующих технологий. С каждым новым поколением компьютерные схемы, их размеры становились все миниатюрнее, скорость обработки информации удваивалась, память стала больше, а удобство и надежность улучшались. Временная шкала, заданная для определения каждого поколения, важна для понимания того, что является элементной базой ЭВМ. Но она не определена до конца и считается довольно условной. Поколения элементной базы фактически основаны на эволюционирующей технологии чипов, а не на каких-либо конкретных временных рамках.

Первое поколение ЭВМ

Пять поколений компьютеров можно охарактеризовать электрическим током, протекающим:

в вакуумных трубках;
в транзисторах;
в интегральных схемах;
в микропроцессорных чипах;
в интеллектуальных устройствах, способных к искусственному интеллекту.

Первое поколение ЭВМ появилось в 1940-е-1950-е годы. Компьютеры первого поколения на самом деле были первыми универсальными и настоящими цифровыми компьютерами. Они появились, чтобы заменить электромеханические системы, которые были слишком медленными для назначенных задач. Первые компьютерные генераторы использовали вакуумные трубки для коммутации. Запечатанное стекло позволяло, чтобы ток протекал по беспроводной сети от нитей к металлическим пластинам.

Как работали первые компьютеры

Элементную базу ЭВМ первого поколения было сложно использовать. Техники соединяли электрические цепи, подключив многочисленные кабели к разъемам. Затем они использовали специальные перфокарты и ждали несколько часов, чтобы получить результат для какой-либо формы вычислений. Первые ЭВМ были настолько большими, что занимали целые комнаты. Язык ассемблера и программное обеспечение операционной системы еще отсутствовали. Системы могли решать только одну проблему за раз. Эти машины были предназначены для операций низкого уровня, и программирование выполнялось с использованием только двоичных цифр 0 и 1.

ENIAC — самый мощный из первых компьютеров

Одним из самых выдающихся компьютеров в эту эпоху был ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), спроектированный и построенный инженером Джоном Мокли и Джоном Преспером Эккертом из Университета Пенсильвании. Его сборка была выполнена командой из пятидесяти человек. ENIAC был в 1000 раз быстрее, чем предыдущие электромеханические компьютеры , но гораздо более медленным при перепрограммировании.

Среди прочего, ENIAC использовался для изучения возможностей термоядерного оружия, стрельбы баллистической артиллерией и термическим зажиганием двигателя, а иногда для прогнозов погоды. Эти системы были огромны по размеру и занимали целые комнаты, используя много электроэнергии, что сделало их источником невыносимого тепла.

Универсальный автоматический компьютер

UNIVAC (универсальный автоматический компьютер) был создан все теми же инженерами — Джоном Мокли и Джоном Преспером Эккертом. Компьютер был первым в той же эпохе, который был разработан для коммерческих целей, помимо военного использования. Используя свою элементную базу, он довольно хорошо манипулировал алфавитом и цифрами и использовался Бюро переписи населения США для перечисления общего населения.

Позднее он применялся для составления отчетов по продажам компаний и даже для предсказаний результатов президентских выборов в 1952 году. В отличие от более 17 000 вакуумных труб в ENIAC, UNIVAC I использовал чуть более 5000 вакуумных ламп. Он был также вдвое меньше своего предшественника. Было продано более 46 этих ЭВМ.

Компьютеры второго поколения: 1950-1960-е годы

ЭВМ второго поколения представляли собой компьютеры, в которых вместо вакуумных ламп использовались транзисторы. Это и была элементная база второго поколения. Новые компьютеры были лучше, чем их предшественники во многом из-за сравнительно небольшого размера, скорости и более низкой стоимости. Транзисторы являются строительными блоками практически любого микрочипа, а также они более надежные, энергоэффективные и способны проводить электричество быстрее и лучше, чем вакуумные трубки.

Как и трубки, элементная база ЭВМ второго поколения, включавшая транзисторы, являлась переключателями или электронными затворами, которые используются для усиления или управления током или включения или выключения электрических сигналов. Транзисторы называются полупроводниками, поскольку они содержат элементы, которые находятся между проводниками и изоляторами.

Изобретение транзисторных полупроводников

Транзисторные полупроводники были изобретены в Bell Laboratories в 1947 году учеными Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттентом, но не выпускались до середины 1950-х годов. Инженеры и создатели новой элементной базы видели будущее компьютеров второго поколения в совершенствовании процедур ввода и вывода данных.

Первоначально эти процессы были похожи на последние модели компьютеров первого поколения. Работа являлась довольно трудоемкой и утомительной, потому что включала в себя труд несколько сотрудников, которые носили перфокарты из комнаты в комнату.

Пакетная система передачи данных

Для того чтобы ускорить процесс, была создана и реализована пакетная система. Она включала сбор нескольких заданий данных на несколько перфокарт и подачу их в магнитные ленты с использованием сравнительно небольшой и недорогой системы. IBM-1401 был одним из таких компьютеров. Для него использовалась операционная система IBM-7094 и Fortran Monitor System.

Когда обработка данных была завершена, файлы переносились обратно на магнитную ленту. Используя меньшую систему, например, IBM-1401, данные можно было распечатать на несколько перфокарт в качестве вывода информации. Это были предвестники программного обеспечения операционной системы.

Характеристики компьютеров второго поколения

Затем начался процесс обновления ограничительного двоичного машинного кода до языков, которые полностью поддерживали символическое и буквенно-цифровое кодирование. Программисты теперь могли писать на ассемблерах и языках высокого уровня, таких как FORTRAN, COBOL, SNOWBALL и BASIC.

Ранние суперкомпьютеры были лишь некоторыми из машин, которые использовали транзисторы. Примерами этих систем были универсальный блок UNIVAC LARC от Sperry Rand (1960) и IBM-7030 Stretch supercomputer (1961) и мэйнфрейм CDC 6600 (1963).

Третье поколение компьютеров: 1960-1970-е годы

Элементная база третьего поколения ЭВМ — это интегральные схемы и многопрограммное программирование. Компьютеры третьего поколения использовали микросхему интегральной схемы (ИС) вместо транзисторов. Реализация этих компьютеров также соответствовала Закону Мура, в котором отмечалось, что размеры транзисторов снижались настолько быстро, что их количество на схеме удваивалось каждые 2 года.

Преимущества интегральных схем

Полупроводниковая ИС включала огромное количество транзисторов, конденсаторов и диодов. Затем они были напечатаны на отдельных частях платы. Ручное подключение конденсаторов и диодов в транзисторах было трудоемким и не полностью надежным. Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Corporation отдельно друг от друга обнаружили преимущества интегральных схем в 1958 и 1959 годах соответственно. Килби построил свою ИС на германии, в то время как Noyce - на кремниевой микросхеме.

Первой системой, использующими ИС, была IBM 360, применявшаяся для обработки как коммерческих, так и научных заданий. После размещения нескольких транзисторов на одном чипе, помимо снижения стоимости, скорость и производительность любого одного компьютера также значительно увеличились. С момента своего изобретения скорость ИС удваивалась каждые два года, что еще больше сократило размер и стоимость компьютеров.

Использование интегральных схем в современных компьютерах

Сегодня почти все электронные устройства используют некоторые формы интегральных схем, размещенных на печатных платах. В отличие от схемы ИС, взаимодействие с компьютерами улучшилось. Вместо перфокарт для ввода и вывода данных, отображение информации происходит через визуальные дисплеи, применяются клавиатуры, а также улучшенные периферийные устройства ввода.

Компьютеры теперь используют программное обеспечение операционной системы для управления оборудованием и ресурсами, что позволило системам одновременно запускать разные приложения. Это произошло из-за централизованных приложений, которые контролировали распределение памяти. Компьютеры стали доступны широкой аудитории из-за размера и справедливой стоимости.

Это поколение также открыло концепцию “компьютерного семейства”, которая побудила производителей придумать компьютерные компоненты, совместимые с другими системами. Примерами этих систем были суперкомпьютеры Scientific Systems Systems Sigma 7 (1966) и суперкомпьютеры IBM-360 (1964) и CDC 8600 (1969).

Четвертое поколение компьютеров: от 1970-х до настоящего времени

Микропроцессор, ОС и графический интерфейс — элементная база современных компьютеров. Рождение микропроцессора было в то же время рождением микрокомпьютера. Это также соответствовало закону Мура, который предсказал экспоненциальный рост транзистора и микрочипов, начиная с 1965 года. Компания Intel, ее инженеры Тед Хофф, Федерико Фаггин и Стэн Мазор в ноябре 1971 года представили первый в мире одночиповый микропроцессор Intel 4004.

То, что в первом поколении заполняло всю комнату, теперь можно было установить на ладони. Само собой, новый микрочип был таким же мощным, как компьютер ENIAC с 1946 года. Четвертое поколение и его элементарная база играет важную роль в создании различных устройств.

Процессор Intel 4004

Первый домашний персональный компьютер

В 1981 году International Business Machine представила свой первый компьютер для дома, в котором работал процессор 4004. Он был известен как IBM PC. Компания сотрудничала с Биллом Гейтсом, который купил Disk Operating System из Seattle Computer Product и распространил его с нового компьютера IBM. Архитектура IBM PC стала стандартной моделью рынка.

Создание операционной системы Windows

Apple под руководством Стива Джобса изменила программную игру, когда в 1984 году выпустила компьютер Apple Macintosh с улучшенным графическим интерфейсом (графический интерфейс пользователя), используя идею интерфейса, полученную от Xerox PARC. Обе программы управления для микрокомпьютера и операционной системы диска были операционными системами на основе командной строки, когда пользователь должен взаимодействовать с компьютером с помощью клавиатуры.

После успеха графического интерфейса Apple Microsoft интегрировала оболочную версию Windows в версии DOS 1985 года. Windows использовалась в течение следующих 10 лет, пока она не была заново изобретена как Windows 95. Это было настоящее программное обеспечение для операционной системы со всеми необходимыми утилитами.

Появление Linux

В то время как программное обеспечение стало обычным делом и корпорации начали брать за него деньги, новое движение программистов запустило Linux в 1991 году. Во главе с Linux Torvalds они стали инициаторами бесплатного проекта операционной системы с открытым исходным кодом под названием Linux. Помимо Linux, другие операционные системы с открытым исходным кодом и бесплатное программное обеспечение были распространены для обслуживания офисных, сетевых и домашних компьютеров.

Распространение мобильных устройств

В 1980-х и 2000-х годах персональные компьютеры и настольные компьютеры стали обычным явлением. Они были установлены в офисах, школах и домах, их стоимость стала приемлемой, а размер — компактным. Программное обеспечение, работающее на этих компьютерах, также стали доступнее. Вскоре микропроцессоры вышли из под монополизации настольными компьютерами и перешли на другие платформы.

Сначала появился ноутбук, а затем планшеты и смартфоны, консоли, встроенные системы, смарт-карты, которые стали популярными из-за необходимости использования Интернета во время движения. Согласно недавним исследованиям, мобильные телефоны составляли 60% всех цифровых устройств по всему миру.

Пятое поколение компьютеров: настоящее и будущее

Компьютеры пятого поколения построены на технологическом прогрессе, полученном в предыдущих поколениях компьютеров. Современные инженеры надеются на улучшение взаимодействия между людьми и машиной путем использования человеческого интеллекта и больших данных, накопленных с самого начала эпохи цифровых технологий. Они исходят из теории концепции и реализации искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML).

AI - вот что является элементной базой ЭВМ поколения 5. Это реальность, которая стала возможной благодаря параллельной обработке и сверхпроводникам. Компьютерные устройства с искусственным интеллектом все еще находятся в разработке, но некоторые из этих технологий начинают появляться и использоваться, например, распознавание голоса. AI и ML могут быть неодинаковыми, но используются взаимозаменяемо, чтобы создать устройства и программы, которые достаточно интеллектуальны для взаимодействия с людьми, другими компьютерами, средой и программами.

Суть пятого поколения будет заключаться в использовании этих технологий, чтобы в конечном итоге создать машины, которые могут обрабатывать и реагировать на естественный язык, а также иметь возможность учиться и самостоятельно организовываться.

Распространение вычислительных устройств с возможностью их самообучения, реагирования и взаимодействия различными способами, основанными на приобретенном опыте и окружающей среде, также придало импульс концепции IoT (Интернет вещей). На своем пике и с правильными алгоритмами компьютеры, вероятно, будут демонстрировать высокие уровни обучения, превосходя интеллект людей. Многие проекты Искусственного интеллекта уже внедряются, а другие все еще находятся на стадии развития.

Пионерами в этой сфере являются Google, Amazon, Microsoft, Apple, Facebook и Tesla. Первые реализации начались на интеллектуальных домашних устройствах, которые предназначены для автоматизации и интеграции действий в доме, аудио и визуальных устройствах, а также автомобилей с автопилотом.

Читайте также: