19.1.  Базовые логические эл-ты. Таблицы истинности. Транзисторно-транзисторная логика и КМОП-логика. История элементной базы ЭВМ. Поколения ЭВМ.

Логический элемент компьютера — это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности. Базовые логические элементы И, ИЛИ, НЕ

1)Схема И реализует конъюнкцию (логическое умножение) двух или более логических значений.

БЛЭ-конъюнктор

2)Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию (логическое сложение) двух или более логических значений.

БЛЭ-дизъюнктор

3)Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания.

4)Функция штрих Шеффера (И-НЕ): Y = X1|X2 = NOT(X1X2)

5)Функция стрелка Пирса (ИЛИ-НЕ): Y = NOT(X1+X2)

6)Логическая операция «исключающее ИЛИ»(сложение по модулю 2)

Операция "исключающее ИЛИ" отличается от обычного "ИЛИ" только тем, что результат равен 0, если оба значения равны 1 (последняя строчка в таблице истинности). То есть ее результат — истина в том и только в том случае, когда два значения не равны.

7)Функция эквивалентности(Исключающее ИЛИ-НЕ)

Уровни лог.переменных

Транзисторно-транзисторная логика(ТТЛ)

Достоинства:

-занимают мало места;

- высокое быстродействие.

Если на входы 1и2 подаются высокие уровни напряжения(лог.1), то коллекторный ток(Ik1) транзистора VT1 ≠ 0 => транзисторVT2 будет открыт(режим насыщения).Uвых=0,1÷0,4В(лог.0)

Если на входы 1и2 подаются низкие уровни напряжения(лог.0), то коллекторный ток(Ik1) транзистора VT1 ≈ 0 => транзисторVT2 будет закрыт(режим отсечки).Uвых ≤ Uип (лог.1)

Входной транзистор VT1, включенный  по схеме с общей базой, является многоэмиттерным и выполняет операцию И. На транзисторах VT2 – VT4 собран элемент НЕ. Транзистор VT2  выполняет функцию фазоинвертора: напряжения на его эмиттере и коллекторе меняются в противофазе. Благодаря этому транзисторы VT3  и VT4, выполняющие роль ключей, работают поочередно: при открытом транзисторе VT4 транзистор VT3 будет закрыт и наоборот.

КМОП(комплементарные пары металл-оксид-полупроводник)-полевые транзисторы с изолированным затвором, индуцированным каналом и p,n-типа.Хар-ой особенностью явл-ся полное отсутствие резистивных эл-ов и применение в ней взаимодополняющих(комплементарных)транзисторов с P(транзисторы T1 и T2) и N(транзисторы T3 и T4)каналами. Важнейшим параметром лог.эл-ов явл-ся пороговое значение лог.переменных на входе и их уровень на выходе.Пороговым значением лог.0 наз-ют максимал.допустимое знач-е напряжения на входах эл-та при котором он переходит из состояния лог.0 в состояние лог.1.Пороговым значением лог.1 наз-ют минимал.необход.напряжение на входах эл-та при котором он переходит из состояния лог.1 в состояние лог.0.

Условие:

Uзи<Uпор – транзистор закрыт(режим отсечки)

Uзи>=Uпор- транзистор открыт(режим насыщения)

Если стрелка выходит из подложки полевого транзостора(–>)-канал р-типа.

Если стрелка входит из подложки полевого транзостора(<–)-канал n-типа.

Достоинства-низкая потребляемая мощность.

Недостаток-малое быстродействие.

Поколения ЭВМ

Под поколением ЭВМ понимают все типы и модели ВМ разработанные разными коллективами в разных странах, но построены на одних и тех же научных и технических принципах.

1 поколение (50-60-е годы) электронно-вакуумные лампы,небольшая оперативная память, скорость 10-20 тыс.операций в секунду(ЭНИАК, БЭСМ-6 1952-1963гг.)

В 1948 стали изобретать транзисторы.

2 поколение (60-е годы) ЭВМ на полупроводниковых схемах-элементарная база-транзисторы.Скорость до 100тыс.операций в сек. Размеры уменьшились. Языки программирования(Алгол, Фортран).Появилось алфавитно-цифровое печатающее устройство. Применяются перфокарты. МИНСК-32, БЭСМ-6.

3 поколение (конец 60-х начало 70-х гг) ЭВМ на малых интегральных схемах,более компактнее,скорость свыше 1млн операций в секунду.

4 поколение (сер.70-х начало 80-х гг) ЭВМ на микропроцессорах. Эл-ая база-большие интегральные схемы.Скорость свыше 10 млн операцив сек.

5 поколение(еще не закончилось) особенности : переход к супермикоэлектроники,искусственный интеллект,новые способы ввода-вывода удобное для пользователя.Отказ от традиционных языков программирования высокого уровня в пользу языков с элементами лог.программирования.

История элементной базы ЭВМ  

Первый этап

В 1809 году русский инженер Ладыгин изобрел лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник.

Второй этап

Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. За ним последовало изобретение первой усилительной лампы - триода в 1907 году.

В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника.

Третий этап

Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году

группа во главе с Уильямом Шокли изобрели трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:

-униполярные (полевые). где использовались однополярные носители.

-биполярные, где использовались разнополярные носители (электроны и дырки).

Появление микроэлектроники

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. 

Четвертый этап.

В 1960 году Роберт Нойс изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других.

Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники.

В настоящее время микроэлектроника переходил на качественно новый уровень – наноэлектронику.

19.2.Алгоритмические структуры и их реализация на языке программирования Паскаль.

Алгоритм (это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьирующих нач-х данных к искомому рез-у) м/представлять как некоторые жесткие стр-ры, сост-е из отдельных базовых эл-тов – управляющих конструкций алгоритмов. Они были разработаны для записи алгоритмов. Все современные языки программирования имеют набор операторов, к/реализуют эти классические управляющие конструкции. Различие состоит только в синтаксисе записи этих конструкций и в некоторых особенностях реализации. Уметь прогр-ть на алг-их языках – уметь пользоваться наиболее общими для всех языков конструкциями и структурами данных. Изучение осн-х принципов конструкторов алгоритмов следует начинать с изучения базовых алгоритмических стр-р. Для обозначения действия по обработке инф-ции введено понятие функцион-го блока (либо отдельная команда, либо послед-ть команд имеющих 1 вход и 1 выход).  На схеме фун-й блок изображается в виде прямоугольника, имеющего один вход и один выход. Внутри кот. Выполняется действие по обработке инф-и(обозн.S)       

Структуры: Стр-ра следование. 

Образуется из последоват-ти команд, следующих одна за другой. При исполнении алгоритма эти команды выполняются в том порядке, каком они записаны. На Бейсике и Паскале это послед-ть операторов, кот-е следуют 1 за другим.

Паскаль: nod:=m; write(‘НОД+(-)’, nod);

Стр-ра развилка: содержит логич-й элемент Р и 2 функ-х блока S1 и S2.При исполнении алг. Сначала вычисляется значение лог-го выражения,  если выполняется(истинно(then)) условие Р, то выполняется блок S1, в противном случае(else) блок S2. Это полная развилка (полная условная конструкция). Паскаль: if x>0 then y:=x+1 (else y:=x*x;), где if, then, else – служебн. Слова,p-условие (лог.выраж-е),s1,s1-любой оператор языка.

При неполной развилке(неполная условная конструкция) только 1 функцион-й блок,т.е. если значение лог-го выр-я ложно никакое действие не вып-ся. Паскаль: if x>0 then y:=x+1 .

p

S1

Структура цикла состоит из лог-го эл-та проверки условия Р и функцион-го блока S, называемого телом цикла.

Цикл с предусловием(пока): сначала проверяется условие(выпол-ся знач-е лог-го выр-я) и если оно истинно, то выполняются команды , зап-ые после условия в теле цикла. И так до тех пор, пока значение Р не станет ложным. Паскаль: while <P> do <S>.

p

S1

Цикл с постусловием:(до) сначала выполняется команда в теле цикла, затем проверяется условие(вычисл-ся лог-е выражение). Если оно не выполняется(ложно), то снова выполняется команда до тех пор, пока условие не выполнится(истинно), после чего работа цикла завершается. Чтобы это произошло , необходимо, чтобы в теле цикла сущ-ла команда, влияющая на условие, иначе произойдёт зацикливание. В отличие от цикла с пред условием, здесь выполнение команд в теле цикла происходит хотя бы 1 раз.(в ЦИКе с предусловием функ-й блок s м.б. ги разу не выполнен, если условие P при первой проверке оказ-ся ложной)Паскаль: repeat <S> until <P>;  

Цикл с параметром состоит из блока модификации и функционального блока(тела цикла). Паскаль: for i:=n to k{h=1} do <S>; n-нач-е знач-е параметра, k- кон-е знач-е пара-а, h- шаг, s-тело цикла. Пар-у цикла присваи-ся нач-е знач-е и вып-ся тело цикла. Если нач-е знач-е <= кон-го знач-е  в случае + шага, то вып-ся тело цикла, к пред-у знач-ю приб-ся шаг и снова срав-ся с кон-м и так далее.В Паскале параметры цикла не м/б вещественного типа, а если целого, то шаг не м/б больше 1.

Структура варианта:    в зависимости от вида выражения выполняется либо функциональный блок S1 или S2.

Паскаль:  case <выражение> of <список констант1>:<оператор1>; …;<список констант n>:<оператор n>; Else <оператор n+1> end;

Case, Of,end  -служебные слова.Знач-я выр-я и константы д. иметь один и тот же тип. Оператор вып-ся след. Образом, сначало выч-ся знач-е выр-я , стоящего после служ-го слова case. Затем оно посл-о сравнивается с конст-ми и вып-ся тот оператор одна из конст. Кот. Равна текущему значению выр-я. После окончания выпо-я выбр-го оператора упрв-е перед-ся в конец оператора.