 |
Семинар 2. Цифровой логический уровень и микроархитектурный уровень
|
|
|
|
На лекции, посвященной архитектуре компьютера, мы обозначили самый нижний уровень как цифровой логический уровень. Объекты этого уровня называются вентилями или переключателями. Эти переключатели могут находиться в одном из двух устойчивых состояний: переключатель включен или выключен, конденсатор заряжен или разряжен, магнитный домен намагничен или нет, транзистор находится в проводящем состоянии или непроводящем и т.п. Одно из таких физических состояний создает высокий уровень выходного напряжения (например, 4 В), а другое – низкий (например, 0 В). В компьютере эти электрические напряжения принимаются соответственно за 1 (логическая единица) и 0 (логический ноль). Хотя возможно и обратное кодирование.
Электротехническая интерпретация.
Рассмотрим основные логические схемы на примере простых электрических переключателей.
Схема логического сложения – ИЛИ.
Рассмотрим простейшую электрическую схему фонарика с двумя кнопками включения/выключения (кнопки А и В).
 |
А
 |
В С
Лампа
+ -
Условимся:
· если кнопка нажата (электрическая цепь замкнута), это соответствует логической 1;
· если кнопка не нажата (электрическая цепь разомкнута), это соответствует логическому 0;
· лампа горит – 1, лампа не горит – 0.
Определим физически возможные состояния схемы:
- оба контакта разомкнуты (А=0, В=0), лампа не горит (С=0);
- замкнут контакт А, контакт В разомкнут, (А=1, В=0), лампа горит (С=1);
- контакт А разомкнут, контакт В замкнут, (А=0, В=1), лампа горит (С=1);
- оба контакта замкнуты (А=1, В=1), лампа горит (С=1).
А теперь приведем эти данные в таблицу, получим Таблицу истинности элемента ИЛИ. На схемах этот элемент с двумя входами (их может быть и больше) обозначается так, как на рисунке слева от таблицы.
|
|
|
С
0 0 0 A+B A
0 1 1
В 1 0 1
1 1 1 B
 |
Схема логического умножения – И
 | |||
 | |||
А В
 | |||||
 |  | ||||
С
A
AxB
Лампа B
|
+ -
 |
Определим физически возможные состояния этой схемы:
- оба контакта разомкнуты (А=0, В=0), лампа не горит (С=0);
- замкнут контакт А, контакт В разомкнут, (А=1, В=0), лампа не горит (С=0);
- контакт А разомкнут, контакт В замкнут, (А=0, В=1), лампа не горит (С=0);
- оба контакта замкнуты (А=1, В=1), лампа горит (С=1) – единственно возможный вариант, когда цепь замкнута.
Приведите эти данные в таблицу, чтобы получить Таблицу истинности элемента И.
Электронные ключи.
Теперь рассмотрим реализацию этого уровня на простейших электронных элементах – биполярных транзисторах.
Уровень физических устройств.
+Vcc +Vcc +Vc
 |
Vc
Vc = Vs Vc
 |
Vb1
Vb1 Vb1 Vb2
 |
Vb2
Инвертор – НЕ Логическое умножение И-НЕ Логическое сложение ИЛИ-НЕ
Параметры электронных ключей принято делить на статические и динамические. Статические параметры инвариантны к переходным процессам и измеряются в статическом режиме. Динамические, наоборот, определяют реактивные свойства элемента и измеряются во время переходных процессов. К статическим параметрам относятся токи, текущие по выводам схемы, и соответствующие напряжения. Отметим среди этих параметров следующие:
· ток потребления;
· напряжение источника питания;
· пороговое напряжение низкого уровня (U0);
· пороговое напряжение высокого уровня (U1);
· потребляемая мощность;
· нагрузочная способность;
· помехоустойчивость.
Среди многочисленных динамических параметров, характеризующих схему, выделим следующие:
|
|
|
· время перехода при включении (t10) (задний фронт);
· время перехода при выключении (t01) (передний фронт);
· время задержки распространения при включении (t01зд);
· время задержки распространения при выключении (t10зд);
· среднее время задержки распространения (tзд ср)
Проиллюстрируем некоторые статические и динамические параметры логических схем на примере работы элемента "НЕ. Временная диаграмма входного и выходного сигналов этого элемента, на которой отмечены его статические и динамические параметры, приведена на рисунке.
Статические и динамические параметры элемента «НЕ»
|
|
|
