Порядок работы с картой Карно

Исходной информацией для работы с картой Карно является таблица истинности минимизируемой функции. Таблица истинности содержит полную информацию о логической функции, задавая её значения на всех возможных 2N наборах входных переменных X1... XN. Карта Карно также содержит 2N клеток, каждая из которых ассоциирцется с уникальным набором входных переменных X1... XN. Таким образом, между таблицей истинности и картой Карно имеется взаимно однозначное соответствие, и карту Карно можно считать соответствующим образом отформатированной таблицей истинности.

 

В данном разделе в качестве примера используется функция четырёх переменных, заданная таблицей истинности, изображённой на Рисунок  2а. Карта Карно для той же функции изображена на Рисунок  2б.

Рисунок 22 – Таблица истинности и карты Карно

 

Принципы склейки

· Склейку клеток карты Карно можно осуществлять по единицам (если необходимо получить ДНФ) или по нулям (если требуется КНФ).

· Склеивать можно только прямоугольные области с числом единиц (нулей) 2n, где n — целое число. Для карт Карно с числом переменных более четырёх могут получаться более сложные области, о чём будет сказано в следующих разделах.

· Область, которая подвергается склейке должна содержать только единицы (нули).

· Крайние клетки каждой горизонтали и каждой вертикали также граничат между собой (топологически карта Карно для четырёх переменных представляет собой тор) и могут объединяться в прямоугольники. Следствием этого правила является смежность всех четырёх угловых ячеек карты Карно для N=4. Если во всех четырёх угловых ячейках стоят единицы (нули) они могут быть объединены в квадрат, как показано на Рисунок  2в.

· Все единицы (нули) должны попасть в какую-либо область.

· С точки зрения минимальности ДНФ (КНФ) число областей должно быть как можно меньше (каждая область представляет собой терм), а число клеток в области должно быть как можно больше (чем больше клеток в области, тем меньше переменных содержит терм.Терм размером 2n ячеек содержит N–n переменных).

· Одна ячейка карты Карно может входить сразу в несколько областей. Это следует из очевидного свойства булевых функций: повторение уже существующего слагаемого (сомножителя) не влияет на функцию:

                       

· В отличие от СДНФ (СКНФ), ДНФ (КНФ) не единственны. Возможно несколько эквивалентных друг другу ДНФ (КНФ), которые соответствуют разным способам покрытия карты Карно прямоугольными областями.

 

 

Описание

Карта Карно может быть составлена для любого количества переменных, однако удобно работать при количестве переменных не более пяти. По сути Карта Карно — это таблица истинности составленная в 2-х мерном виде. Благодаря использованию кода Грея в ней верхняя строка является соседней с нижней, а правый столбец соседний с левым, т.о. вся Карта Карно сворачивается в фигуру тор (бублик). На пересечении строки и столбца проставляется соответствующее значение из таблицы истинности. После того как Карта заполнена, можно приступать к минимизации.

 

Если необходимо получить минимальную ДНФ, то в Карте рассматриваем только те клетки которые содержат единицы, если нужна КНФ, то рассматриваем те клетки, которые содержат нули. Сама минимизация производится по следующим правилам (на примере ДНФ):

1. Объединяем смежные клетки, содержащие единицы, в область так, чтобы одна область содержала 2n (n целое число = 0…) клеток (помним про то, что крайние строки и столбцы являются соседними между собой), в области не должно находиться клеток, содержащих нули;

2. Область должна располагаться симметрично оси(ей) (оси располагаются через каждые четыре клетки);

3. Несмежные области, расположенные симметрично оси(ей), могут объединяться в одну;

4. Область должна быть как можно больше, а количество областей как можно меньше;

5. Области могут пересекаться;

6. Возможно несколько вариантов покрытия.

 

Далее берём первую область и смотрим, какие переменные не меняются в пределах этой области, выписываем конъюнкцию этих переменных; если неменяющаяся переменная нулевая, проставляем над ней инверсию. Берём следующую область, выполняем то же самое, что и для первой, и т. д. для всех областей. Конъюнкции областей объединяем дизъюнкцией.

 Например (для Карт на 2 переменные):

 

 

 

Рисунок 23 – Последовательность получения логической функции с помощью карт Карно

 

 

 

Для КНФ всё то же самое, только рассматриваем клетки с нулями, неменяющиеся переменные в пределах одной области объединяем в дизъюнкции (инверсии проставляем над единичными переменными), а дизъюнкции областей объединяем в конъюнкцию. На этом минимизация считается законченной. Так для Карты Карно на Рисунок 1 выражение в формате ДНФ будет иметь вид:

В формате КНФ:

Так же из ДНФ в КНФ и обратно можно перейти, использовав Законы де Моргана.

 

 

Пример

У мальчика Коли есть мама, папа, дедушка и бабушка. Коля пойдёт гулять на улицу, если ему разрешат хотя бы двое родственников.

 Для краткости обозначим родственников Коли через буквы:

 мама — х1

 папа — х2

 дедушка — х3

 бабушка — х4

 Условимся обозначать согласие родственников единицей, несогласие - нулём. Возможность пойти погулять обозначим буквой f, Коля идёт гулять — f = 1, Коля гулять не идёт — f = 0.

 Составим таблицу истинности:

Перерисуем таблицу истинности в 2-х мерный вид:

Таблица 4 – Карта Карно

 

Переставим в ней строки и столбцы в соответствии с кодом Грея. Получили Карту Карно:

 Таблица 5 – Карта Карно

 

 

Заполним её значениями из таблицы истинности:

 

Таблица 6 - Карта Карно

 

 

Минимизируем в соответствии с правилами:

 

Таблица 7 – Минимизация с помощью Карты Карно

 

1. Все области содержат 2^n клеток;

2. Так как Карта Карно на четыре переменные, оси располагаются на границах Карты и их не видно (подробнее смотри пример Карты на 5 переменных);

3. Так как Карта Карно на четыре переменные, все области симметрично осей — смежные между собой (подробнее смотри пример Карты на 5 переменных);

4. Области S3, S4, S5, S6 максимально большие;

5. Все области пересекаются (необязательное условие);

6. В данном случае рациональный вариант только один.

 

Теперь по полученной минимальной ДНФ можно построить логическую схему:

Рисунок 24 – Логическая схема

Из-за отсутствия в наличии шести-входового элемента ИЛИ, реализующего функцию дизъюнкции, пришлось каскадировать пяти- и двух-входовые элементы(D7, D8).

 

Составим мин. КНФ:

 

 

Таблица 8 - КНФ

 

Рисунок 25 – Логическая схема

 

 

5.Вопросы:

 

1. Что называется логическими элементами?

2. Формы представления логических функций.  

3. Что определяют в таблице истинности?

4.   Определение карты Карно.

5. Описать принцип минимизации.

6. Принцип склейки карты Карно.

7. Правила, по которым производится минимизации. 

Тема 6:

"Элементы ЭВМ"

Содержание:

1. Развитие элементной базы:

1.1 Первое поколение

1.2 Второе поколение

1.3 Третье поколение

1.4 Четвёртое поколение

1. Вопросы

 

Развитие элементной базы

 

Первое поколение

Не учитывая элементную базу вычислительных машин можно было бы сказать, что первый компьютер был разработан Аланом Тьюрингом «Колос» разработанный еще в 1943 г. Эта машина предназначалась для дешифровки немецких секретных сообщений времен второй мировой войны. Это была одна из первых попыток создания универсальной программируемой машины. Однако сегодняшнему определению компьютер она не соответствовала.

Компонентная база компьютеров первого поколения это электронные лампы. Они предназначались для решения научно-технических задач. Такими машинами обладали военные ведомства и государственные институты. Их стоимость была на столько велика, что даже крупные корпорации не могли приобрести их. Эти машины были огромных размеров и весили порядка 5 – 30 тонн, занимали площадь в несколько сотен квадратных метров. Так что зачастую для них нужны были отдельные помещения, а иногда и целые здания. Потребительская мощность таких машин измерялась сотнями киловатт энергии. К примеру машина ЭНИАК потребляла 150 кВт. Некоторые из них оперировали десятичными числами, такие как Марк-1, а не двоичными как существующие машины.

Вычислительная мощность составляла всего несколько тысяч операций в секунду. К примеру на такие операции как сложение, вычитание требовалось несколько секунд. На деления и умножение уходило до нескольких десятков секунд. А на вычисление логарифма или тригонометрической функции понадобилось больше минуты.

Элементной базой компьютеров этого поколения были: электромеханические реле, которые быстро ломались и создавали сильный шум как в производственном цехе, электронно-вакуумные лампы срок службы которых не превышал несколько месяцев. Их в машине было десятки тысяч. Таким образом каждый день, что-то ломалось.

 

 

Рисунок  26 - Морис Уилкс рядом с блоком оперативной памяти EDSAC
ЭВМ первого поколения были полностью программируемые машины. Что их и отличало от арифмометров и калькуляторов. Но программировать на таких компьютерах было довольно сложно. Т.к. языков высокого уровня не было и языков низкого уровня (ассемблер) тоже не было. Все инструкции компьютеру давались в машинном коде. Мало понятному, не посвященному человеку. Чтобы работать на таком компьютере, нужно было быть не только профессиональным программистом, но и опытным инженером- электронщиком. Программировалась машина путем изменения положения переключателей и тумблеров на ее лицевых панелях которые были почти на всем корпусе машины. Модификация программы была равносильна десяти минутной физкультурной зарядке.

Объем оперативной памяти составлял от 512 до 2048 байт. Память представляла из себя трубки заполненные ртутью, кристаллы распространялись по трубке и сохраняли информацию. Под конец первого поколения и на начало второго стали выпускать память на магнитных сердечниках.

В ЭВМ первого поколения реализовали фундаментальные принципы построения вычислительных машин. Один из больших недостатков этих компьютеров это не согласованность быстродействия арифметического - логического устройства, управляющего устройства и оперативной памяти из-за различной элементной базы.

 

 

Рисунок 27 - Память на ферритовых сердечниках применялась в первом поколении машин

 

 

Все быстродействие определялось самым медленным элементом это внутренняя память которая снижала общую эффективность. Во время первого поколения пытались убрать этот недостаток за счет асинхронной работы компонентов. Введения понятие буффера, когда передаваемые данные копировались в буфер, освобождая устройство для следующих операций. Уже тогда для работы устройства ввода-вывода использовалась собственная память.

Большим недостатком первого поколения являлось то, что изначально данные машины разрабатывались для выполнения арифметических задач. И решение на них каких либо аналитических задач было весьма трудоемко.

Компьютеры первого поколения в России появились с опозданием. К ним можно отнести МЭСМ – Малая Электронная Счетная Машина разработанная в институте электротехники АН УССР под руководством С.А. Лебедева 1950 г. К первому поколению относятся и такие машины как БЭСМ, Урал, М-2, Стрела.

 

 

                                                                                                      

 

Рисунок  28 - Отечественный компьютер первого поколения БЭСМ-2.

 В нем было около 4 000 электронных ламп. Он был собрана на трех стойках одна из них была стойка магнитного оперативного запоминающего устройства и пульт управления

 

Второе поколение

Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Транзисторы пришли на смену не надежным электронно-вакуумным лампам. Транзисторы значительно уменьшили компьютеры в размере и стоимости. И не удивительно. Один транзистор способен заменить несколько десятков электронных ламп. При этом тепловыделение значительно уменьшилось и потребление электроэнергии тоже, а скорость работы стала выше. Если сравнивать машины первого и второго поколения то на примере это выглядело так. Марк-1это компьютер первого поколения занимавший огромный зал. Его высота 2,5 м и длина 17 м и при этом он стоил 500 тыс. долларов. PDP-8 – ЭВМ второго поколения. Размером с холодильник, и при этом он стоил всего 20 тыс. долларов.

Слово транзистор происходит от двух английских слов transfer – переносить, resistor – сопротивление. Полупроводниковый прибор который работает как переключатель. Современные транзисторы делаются на основе монокристального полупроводника.
Похожими свойствами, как у полупроводника есть и у электронной лампы. Когда нагрет катод, возникает эмиссия и ток течет в одном направлении. От катода к аноду который положительно заряжен. В обратном направлении напряжения нет. Отсюда и возникла идея вместо электронных ламп использовать полупроводники. Это значительно сэкономит электроэнергию, затраты на охлаждение и сделает компьютеры более надежными.

Диод – пример самого простого полупроводника. Его принцип заключается в свойствах между металлом и полупроводником. Они применяются в аппаратуре которая служит для преобразования электрических колебаний. Они выпрямляют ток и поэтому применяться в стабилизаторах. Во втором поколении машин диоды стали активно использоваться. На их базе строятся схемы дешифраторов и пассивно запоминающих устроиств.
Вместе с заменой ламп на транзисторы и усовершенствовалась элементная база хранения информации. Для хранения информации стали применять не только перфоленты и перфокарты, но и магнитную ленту. Что значительно ускорило ввод-вывод информации в машину. К началу 60-х годов стали применять накопители на магнитных дисках. Что еще значительнее ускорило обработку информации.
Предшествующие ламповые компьютеры нуждались в дополнительном оборудовании. В подвалах вычислительных центров находились средства электропитания кондиционирования воздуха. С приходом второго поколения ЭВМ, потребность в них отпала.
К тому же электронная – вакуумная лампа работает тогда и только тогда когда через нее проходит эмиссионный ток. Эмиссия возникает когда катод лампы нагрет до большой температуры. Машины прошлого поколения имели десятки тысяч таких ламп. На их питание нужна была не малая электрическая энергия. От 50-150 киловатт.

Рисунок  29 - Память на магнитных сердечниках или ферритовая память

Применялась также память на магнитных сердечниках. Представляя из себя матрицу маленьких колец которые поляризовались в двух направлениях. Что соответствовало одному биту информации. Технология отлично подходила в качестве оперативной памяти ЭВМ. Платы собирались почти вручную и были очень дорогие. А их объем составлял около 32 Кб.
Память на магнитных сердечниках или ферритовая память как ее еще называли. Строилась на базе ферритов это полупроводник но обладает определенными магнитными свойствами. Производятся они из магнитного железняка с примесями магния и никеля. Достоинство их в том, что они могут быстро намагничиваться и сохранять свое намагниченное состояние. Ферриты обладают высоким сопротивлением и потери тока при их намагничивании минимальны. Из ферритов делаются сердечники. Напоминают обычные кольца. Эти кольца выстраивают рядами образуя матрицу. Так называемую плату памяти. На каждом сердечники есть две обмотки для записи бита данных и одна для считывания.
В машине UNIVAC и LARC впервые начали использоваться магнитные барабаны. IBM для своих ЭВМ IBM 1401, IBM 1410 применили магнитные диски.
Однако в чем отличие второго поколения от первого? В их элементной базе. Транзисторы заменили лампы. Как следствие возросла производительность. Уменьшилась потребление электроэнергии. Уменьшилось выделение тепла. Нет необходимости в мощном кондиционировании помещений.
Среди советских компьютеров второго поколения стал Минск-22. Он мог выполнять до пяти тысяч элементарных операций в секунду. Его оперативная память была построена на ферритовых сердечниках, объемом порядка шести – восьми тысяч чисел. В нем применялись магнитные диски, которые могли хранить несколько миллионов чисел. Д информации был через перфокарты и перфоленты. Для вывода даны к нему возможно было подключить алфавитное - цифровое печатающее устройство. Последующая модель Минск-32 могла выполнять уже 250 тысяч операций в секунду. Объем оперативной памяти составлял 65 536 байт.

Рисунок  30 - PDP-8 компьютер второго поколения. Производство корпорации DEC.

 

С появлением компьютеров второго поколения расширилась сфера их применения. Отправительственных и военных учреждении они стали появляться в частных организациях, институтах. Главным образом за счет снижения стоимости машин и развитию программного обеспечения. Начали создавать специальное системное программное обеспечение. Появились системы пакетной обработки информации. Предшественники операционных систем. Которые предназначались для управления вычислительным процессом. Был разработан формальный язык управления заданиями. Совокупность нескольких заданий, в виде колоды перфокарт. Получил название пакет заданий. Данный подход жив и до сих пор. В ДОС bat – файлы, в Windowscmd – файлы. Затем и операционные системы не заставили себя долго ждать. Именно для компьютеров второго поколения начали разрабатывать операционные системы. Это значительно ускорило управление ЭВМ.
Большое внимание уделяли усовершенствованию программированию машин. В 50-х стали появляться первые языки программирования: B0, Fact, MathMatic и другие. В след за ними появились языки высокого уровня Fortran, Algol. В дальнейшем стали разрабатывать библиотеки в которых хранились ранее созданные функции. Написанные один раз вызывались они повторно.

 

1.3Третье поколение

Интегральные схемы стали элементной базой компьютеров третьего поколения. Интегральная схем а - это схема изготовленная на полупроводниковом кристалле и помещенная в корпус. Иногда интегральную схему называют – микросхемой или чипом. Chip в переводе с английского – щепка. Это название он получил из-за своих крошечных размеров. Первые микросхемы появились в 1958 году. Два инженера почти одновременно изобрели их не зная друг о друге. Это Джек Килби и Роберт Нойс. Первая советская ИС была создана с опозданием на три года. Но широкое применение интегральных схем началось лишь в начале 70-х годов. Эти чипы навсегда изменили образ вычислительных машин. В компьютерах третьего поколения, одна интегральная схема могла заменить до тысячи транзисторов и других базовых элементов. А каждый такой элемент мог заменять до нескольких десятков электронных ламп. Это давало огромную миниатюризацию и снижение себестоимости производства ЭВМ.
Все элементы предыдущего поколения производятся на одной подложке и в одном корпусе ИС. Используя одни и те же технологические операции. Рабочая область чипа это поверхность между кристаллом и металлом, который наносятся путем технологии напыления. Это происходит в вакууме когда атомы одного материала бомбардируют атомы другого.
Для массового производства таких микросхем начали создавать отдельные производственные лини. Качество конечного продукта было достигнуто не сразу. По мере накопления опыта, наладили полный технологический процесс. Размер чипа может составлять несколько миллиметров. А размеры элементов измеряются в микронах.
Такое достижение в области миниатюризации дало возможность создавать компьютеры, размер которых был как письменный стол. Не нужны были отдельные помещения и целые залы. Весь вычислительный центр мог вмещаться в одной комнате. И для обеспечения питания таких ЭВМ достаточно два – четыре киловатта. И самое главное, что надежность компьютеров третьего поколения не намного уступает сегодняшней техники.
ЭВМ третьего поколения можно было встретить на борту самолета, корабля, подводной лодке, спутнике. Ощутимые плоды микроминиатюризации. Эти машины называли Мини-ЭВМ. И не смотря на то, что алфавитно-цифровые дисплеи появились еще во втором поколении машин. На третьем они окончательно закрепились. И стали неотъемлемой частью компьютера.
Многие операции машины начали выполнять сразу с группой бит. Которую они рассматривали как единое целое. Размер этой группы на многих компьютерах был восемь бит. Которые хранили. Обрабатывали и передавали одновременно. В информационном мире закрепляется слово байт. Один байт - восемь бит. Использование байта весьма удобно. И значительно упрощает работу с данными на машине. Один байт означает - один символ. Один байт это закодированное десятичное число от 0 до 255. Затем совокупность 2 или 4 байт называется как машинное слово. ЭВМ третьего поколения стали иметь специальные команды состоящие из таких пар байт. Но логически обозначающие одну операцию.
  Память ЭВМ этого поколения значительно возросла. В качестве внешней памяти стали применять магнитные диски. Накопитель магнитных дисков представлял несколько дисков вращающихся на одном шпинделе. Диски были расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Между ними находился блок головок. Которые позиционировались одновременно. Что позволяло производить чтение-запись одновременно сразу на несколько дисков. Емкость таких накопителей измерялась миллионами байт. Это был существенный шаг по сравнению с перфокартами и магнитными лентами. Надежность таких накопителей не уступает внешней памяти на магнитных барабанах. Теперь ЭВМ третьего поколения выпускают только сериями. Нет единичных экземпляров, как было у первого поколения иногда и у второго. Теперь это только серийное производство.
Одно из наиболее важных отличай второго и третьего поколения это появление открытой архитектуры ЭВМ. Яркий пример компьютер System/360 производство IBM. Открытая архитектура позволяет легко ремонтировать заменять комплектующие. И самое главное, одни комплектующие могут подходить к разным моделям ЭВМ и даже к разным производителям ЭВМ. Производство этой серии машин начался 1964 г. И был крупнейшем успехом корпорации IBM. Она стала стандартом компьютеров во всем мире.
В советской России, через восемь лет, появилось подражание System/360. Это была ЭВМ ЕС (Единая Серия). ЭВМ ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1060. В разработке этой серии учувствуют Болгария, Венгрия, Чехия. Начинается выпуск советских ЭВМ: Мир-31, Мир-32, АСВТ М-6000, АСВТ М-7000. Выпускаться так же более компактные ЭВМ: Электроника-79, Электроника-100, Электроника-125, Электроника-200.
ЭВМ ЕС-1010. Имеет быстродействие в 10 тысяч операций в секунду. ЕС-1020 быстродействие 20 тысяч операций в секунду, ОЗУ в 64 Кб, внешняя память на магнитных лентах и дисках.

 

Рисунок  31 - ЭВМ ЕС-1010АСВТ М-6000

Более мощным становиться программное обеспечение ЭВМ. Появляются первые текстовые редакторы. Но широкое распространение они так и не получают. Слишком дорого использовать Мини-ЭВМ вместо печатной машинки. Появляются системы управления базами данных. Они начинают повсеместно использоваться коммерческими организациями. Некоторые приобретают компьютеры только ради создания и управления своими базами данных. Компьютеры третьего поколения перестали быть роскошью для предприятий.
Первое и второе поколение машин использовали только военные, государственные ведомства и институты. Теперь они становятся доступными даже для не больших компаний. Средняя цена машины третьего поколения составляет 20-30 тыс. долларов. Что вполне под силу многим организациям. Появляются автоматизированные системы проектирования.
Возникает огромная потребность в прикладном программном обеспечении. Как следствие каждое предприятие нанимает свой штат программистов, которые решают текущие задачи. Рынка программного обеспечения как такового еще нет. Поэтому купить нужную программу или библиотеку невозможно. Многие ЭВМ третьего поколения, как и предыдущих поколений, не совместимы между собой аппаратно и программно. IBM, своей машиной System/360, только начинает исправлять эту ошибку.

 

Четвёртое поколение

 

Новым этапом для развития ЭВМ послужили большие интегральные схемы (БИС). Элементная база компьютеров четвертого поколения это БИС. Стремительное развитие электроники, позволило разместить на одном кристалле тысячи полупроводников. Такая миниатюризация привела к появлению недорогих компьютеров. Небольшие ЭВМ могли разместиться на одном письменном столе. Именно в эти годы зародился термин «Персональный компьютер». Исчезают огромные дорогостоящие монстры. За одним таким компьютером, через терминалы, работало сразу несколько десятков пользователей. Теперь. Один человек – один компьютер. Машина стала, действительно персональной.

Характеристики ЭВМ четвертого поколения:

1) Мультипроцессорность;

2) Языки высокого уровня;

3) Компьютерные сети;

4) Параллельная и последовательная обработка данных.

Первым мини-компьютером считают PDP-8 корпорации DEC. Эта машина создавалась для управления ядерным реактором. Но она стала популярна на частных производственных предприятий и в высших учебных заведениях. Ее массовый выпуск начался 1965 году и к началу 70-х количество этих ЭВМ превысило 100 000 штук. Важный переход от мини-компьютеров к микро-компьютерам, это создание микропроцессора. Благодаря БИС стало возможным разместить все основные элементы центрального процессора на одном кристалле. Первым микропроцессором стал Intel-4004 созданный 1971 г. Он содержал в себе более двух тысяч полупроводников, которые разместились на одной подложке. В одной интегральной схеме разместились арифметическое - логическое устройство и управляющее устройство.

Одним из первых персональных компьютеров четвертого поколения считается Altair-8800. Созданный на базе микропроцессора Intel-8080. Его появление стимулировало рост периферийных устройств, компиляторов высокого уровня.

Интегральные схемы можно классифицировать по количеству элементов размещенных на одном кристалле:

1) ПИС – (Простые интегральные схемы) до 10 элементов;

2) МИС – (Малые интегральные схемы) до 100 элементов;

3) СИС – (Средние интегральные схемы) до 1 000 элементов;

4) БИС – (Большие интегральные схемы) до 10 000 элементов;

5) СБИС – (Сверхбольшие интегральные схемы) до 1 000 000 элементов;

6) УБИС – (Ультрабольшие интегральные схемы) до 1 000 000 000 элементов;

7) ГБИС – (Гигабольшие интегральные схемы) свыше 1 000 000 000 элементов.

Большая интегральная схема – усовершенствованный потомок простой интегральной схемы. Которая являлась одним из основных элементов предыдущего поколения. Большой, ее называют, не потому что интегральная схема большая, а потому что в ней высокая степень интеграции.

Процесс изготовления БИС выглядит следующим образом. Над кристаллом наносится светочувствительный слой фоторезист. Который в дальнейшем засвечивается над шаблоном. После этого негатив проявляют. Удаляют те области которые засвечены. В образовавшиеся пробелы фоторезиста вводят примеси. После отжига кристалла проводят аналогичные операции используя при этом разные фотошаблоны. Каждый шаблон отвечает за образование определенной группы элементов интегральной схемы. В заключительной стадии изготовления БИС применяются фотошаблоны, которые формируют алюминиевые дорожки для соединения цепей сложной конфигурации. БИС стали одними из первых продуктов электроники которые выпускаются только серийно.

В дальнейшем стали выпускаться программно-управляемые БИС. Функции такой схемы меняются в зависимости от программы, которая тоже напыляется на отдельном кристалле. Данная БИС состоит из операционной части и программы. Ввод программы в БИС, настраивает ее на определенный класс задач. Одна и та же интегральная схема может работать и как арифметическое устройство и как управляющее устройство.

Применение БИС дало резкое улучшение основных показателей скорости работы и надежности. Такая высокая степень интеграции, привела к уменьшению числа монтажных операций, уменьшила количество внешних соединений, которые изначально не надежные. Это очень способствовало уменьшению размеров, стоимости и повышению надежности.

Однако появление БИС привело и к появлению проблем. Одна из главных это проблема теплоотвода. Чем выше степень интеграции схемы тем выше тепловыделение. Требуется постоянное охлаждение, без которого интегральная схема перегреться и сгорит. Существует также проблемы: межсоединений элементов, контроля параметров. Большие интегральные схемы уже начали применять в третьем поколении. Пример System/360.

Проводя исследования удалось создать модели интегральных схем. Которые работают со скоростью в несколько миллиардов операций в секунду. При создании опытных образцов выяснилось, что невозможно пустить их в серийное производство. Оказывается при современном развитии техники достижение таких скоростей невозможно вообще. И проблема не в инженерных решениях. А в необходимости достижения абсолютно чистых химических материалах, однородности кристалла, стабильных температурных режимах. Взаимодействие электрических полей внутри кристалла.

Кроме изменения технической базы четвертого поколения ЭВМ, изменилось и направление создания этих машин. Они проектировались с расчетом на применение языков программирования высокого уровня, многие на аппаратном уровне были спроектированы под определенные операционные системы.

Один из самых популярных компьютеров четвертого поколения это IBM System/370. Который в отличи от своего предшественника третьего поколения System/360, имел более мощную систему микрокоманд и большие возможности низкоуровневого программирования. В машинах серии System/370 программно была реализована виртуальная память. Когда часть дискового пространства отводилась для использования хранения временных данных. Тем самым эмулировалась оперативная память. У конечного пользователя создавалась впечатление, что ресурсов у машины больше чем есть на самом деле.

Технические характеристики ЭВМ четвертого поколения:

1) Применение модульности для создания программного обеспечения;

2) Средняя задержка сигнала 0.7 нс/вентиль;

3) Впервые модули операционной системы начали реализовывать на аппаратном уровне;

4) Базовым элементом оперативной памяти стал полупроводник. Чтение запись 100-150 нс.

К четвертому поколению советских ЭВМ можно отнести: ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1065. Персональные компьютеры, которые стали популярны в быту: Электроника-85, Искра-226, ЕС-1840, ЕС-1841, ЕС-1842. К этому поколению относиться и многопроцессорный компьютер «Эльбрус». Применяемый на производстве и машиносчетных станциях. Позже его сменил «Эльбрус-2». Вычислительная мощность этой машины, для четвертого поколения, была очень велика. Он имел порядка 64 мегабайт оперативной памяти, мог выполнять до 5 миллионов операций, с плавающей точкой, в секунду. Пропускная способность шины до 120 Мб/с.

ЭВМ четвертого поколения являются машинами массового применения. Они способны заменить ЭВМ предыдущего поколения во всех сферах человеческой деятельности. В управлении технологическими процессами предприятий, торговле, инженерных расчетах, справочных центров, регулировании транспортного движения, билинговых системах.

 

Рисунок 32 - Микропроцессор Intel 8080

 

Рисунок 33 - Схема микропроцессора Intel 8080

 

 

Рисунок 34 - Микропроцессор Intel-4004

 

Рисунок 35 - Схема микропроцессора Intel-4004

3.Вопросы:

 

1. Объём оперативной памяти.

2. Элементная база второго поколения.

3. Элементная база третьего поколения.

4. Характеристика ЭВМ четвёртого поколения.

5. Классификация интегральных схем.

6. Технические характеристики ЭВМ четвёртого поколения.

 

Тема 7:

"Исследование асинхронных

и синхронных RS-триггеров"

 

 

Содержание:

1. Определение и краткое описание триггера

2. Асинхронный RS-триггер

3. Синхронный RS-триггер

4. Вопросы