характеристики цифровых устройств

Современный этап развития полупроводниковой электроники характеризуется созданием широкой номенклатуры и массовым выпуском интегральных микросхем, запоминающих устройств, микропроцессорных комплектов, однокристальных ЭВМ, RISC-процессоров. Стремительно развивается рынок заказных больших интегральных схем (БИС) на базе матричных кристаллов, программируемых логических матриц. Растет номенклатура специализированных БИС интерфейсов локальных вычислительных сетей.

Увеличение степени интеграции интегральных схем (ИС) до сотен тысяч логических вентилей, что эквивалентно нескольким миллионам транзисторов на одном кристалле, предопределяет новые подходы к проектированию заказных БИС, как правило, из библиотек логических и запоминающих элементов, узлов и даже устройств с использованием современных технологий систем автоматизации инженерного труда.

Но актуальность изучения студентами принципов работы «элементарных строительных кирпичиков» аппаратурных средств вычислительной техники не снижается. Во-первых, из-за необходимости ясного понимания функциональных характеристик, интерфейсных и запоминающих элементов, их внешних параметров. Во-вторых, по мере повышения быстродействия, когда тактовая частота составляет десятки и в перспективе сотни мегагерц, обеспечение помехоустойчивости цифровых устройств существенно определяется «аналоговыми» процессами в сигнальных линиях связи. По этим причинам настоящее учебное пособие не утратило в целом своей актуальности.

В учебном пособии систематически излагаются обобщенные материалы передовых достижений в . схемотехнике логических и запоминающих элементов. Часть пособия использует результаты, полученные авторами в результате проведения научной работы. Например, анализ и синтез древовидных схем на переключателях тока, анализ работы двунаправленного КМОП-ключа, оценка частоты и длительности импульсов ряда схем генераторов и одно-вибраторов.

В настоящем, втором, исправленном и доработанном издании учебного пособия исключены из рассмотрения ряд логических элементов (ДТЛ-типа, синхронные ТТЛ-типа), а также раздел, посвященный вопросам автоматизации проектирования логических

элементов. Принятое нами решение представляется оправданным, поскольку вопросы автоматизированного проектирования элементов ЭВМ, -как правило, читаются студентам в рамках специальных курсов. Более того, удовлетворительное изложение этого материала практически невозможно в рамках одной-двух глав учебного пособия. Следует отметить, что в издательстве «Высшая школа» в 1986 г. издано ставшее популярным учебное пособие по курсу САПР «Системы автоматизированного проектирования» в 9 книгах под редакцией И. П. Норенкова.

Учитывая тенденции развития схемотехники цифровых устройств, во втором издании введены разделы, посвященные логическим элементам БИС, схемотехнике заказных БИС на базе универсальных вентильных матриц, программируемых логических матриц.

С большой практической направленностью изложен материал; посвященный вопросам помех и обеспечению помехозащищенности.

Поскольку запоминающие устройства на гибких и жестких магнитных дисках составляют основу архивных запоминающих устройств (ЗУ) ЭВМ, в частности персональных ЭВМ, и в ближайшей перспективе ожидается массовое применение внешних ЗУ на оптических дисках, дополнительно рассмотрен принцип работы таких ЗУ.

Вновь написан раздел, посвященный вопросам унификации внутрисистемных, внешних интерфейсов и интерфейсов локальных сетей. На примере ряда отечественных БИС интерфейсов рассмотрены архитектурные и схемотехнические особенности интерфейсных ИС.

Авторы благодарны коллективу кафедры «Электронные вычислительные машины и системы» и лично д-ру техн. наук, проф. Ю. М. Смирнову, д-ру техн. наук, проф. Н. М. Соломатину, взявшим на себя труд по рецензированию учебного пособия и сделавшим множество ценных замечаний и пожеланий.

Авторы весьма признательны д-ру техн. наук, проф. В. А. Ку-стову, внимательно ознакомившемуся с первым изданием учебного пособия и высказавшему большое количество пожеланий по улучшению методики изложения материала.

Авторы .благодарны всем сотрудникам предприятий электронной промышленности, помогавшим написанию учебного пособия предоставлением справочного материала. Неоценимую услугу авторам оказали канд. техн. наук, А. А. Попов, канд. техн. наук, В. С. Кокорин, инженеры М. Г. Каннер, С. Р. Николаев.

,. Все замечания и пожелания просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Цифровые устройства, предназначенные для обработки и хранения информации, обладают высокими потребительскими характеристиками, если на всех этапах проектирования, производства, контроля и эксплуатации работы выполняются квалифицированно, с соблюдением требований технологий, стандартов и т. п.

Увеличение объема выпуска ЭВМ различных классов, систем автоматизации проектирования, автоматизированных рабочих мест, систем автоматизации регистрации и обработки данных требует хорошо подготовленных специалистов как по математическому и программному обеспечению, так и по разработке аппаратной части всех средств, использующих вычислительную технику.

Учебное пособие призвано обеспечить подготовку студентов по затронутым вопросам. Этому будет способствовать, в частности, большое число примеров, каждый из которых имеет прикладной характер.

В данном учебном пособии основное внимание уделено рассмотрению параметров и характеристик дискретных компонентов й интегральных схем малой и средней степени интеграции, расчетов для статических и динамических режимов .электронных схем, выполненных на дискретных компонентах и интегральных схемах, схемотехнике базовых элементов современных ИС и специальных элементов цифровых устройств, схемотехнике триггерных элементов и элементов запоминающих устройств, -логических элементов БИС и программируемых логических схем, проектирования заказных БИС на базе универсальной вентильной матрицы, элементов интерфейсов, помех в цифровых устройствах и мер по их уменьшению.

Предполагается, что читатель знаком с основами электротехники, радиоэлектроники, импульсной техники, булевой алгебры, конструирования, так как именно на этом базируется изложение материала. Учитывая важность схемотехнических расчетов, авторы хотели бы подчеркнуть, что под расчетом надо понимать выполнение, как минимум, следующих этапов: анализ схемы, получение аналитических соотношений для анализируемой схемы, выполнение численных расчетов.

Анализ статического режима работы схемы проводится для Характерных точек, выделяемых на статических характеристиках. Этими точками могут быть уровни 10 или 90% от логического Перепада, пороговые напряжения, точки с единичным коэффици-