Учебное пособие для студентов педагогичес ких вузов. М. Карпов Е. В., 2016. 152 с
 Скачать 3.75 Mb.
|
|
Л.В. К ОРОЛЕВА , Е.Б. П ЕТРОВА ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие Москва 2016 2 УДК 372.8 ББК 22.12 К 68 Королева Л.В., Петрова Е.Б. Основы микроэлектроники: учебное пособие для студентов педагогичес- ких вузов. – М.: Карпов Е.В., 2016. – 152 с. Данное учебное пособие рассчитано на студентов педагогических вузов. Учитывая специфику подготовки и задачи будущих педагогов, в книге существенно расширены разделы, посвященные истории развития ЭВМ и основам записи информации на различных носителях, в том чис- ле и тех, которые находятся в стадии исследования и разработки. Также сделан акцент на возможные практические аспекты применения основ математической логики: представлены некоторые лабораторные работы и практические задания, которые могут быть выполнены учащимися школ. Книга может быть интересна преподавателям, студентам, а также учителям информатики. Рецензенты: доктор педагогических наук М.Л. Субочева (зав. кафедрой технологии и профессионального обучения, профессор, ИФТИС МПГУ) доктор физико-математических наук, доцент Г.М. Чулкова (профессор, ИФТИС МПГУ) ISBN 978-5-9598-0178-6 © Королева Л.В., Петрова Е.Б., 2016 3 Оглавление ОГЛАВЛЕНИЕ .................................................................................................................... 3 Предисловие ......................................................................................................... 5 ГЛАВА I. ИЗ ИСТОРИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ......................................... 6 Введение ............................................................................................................... 6 § 1. Домеханический этап ................................................................................... 7 § 2. Механический этап..................................................................................... 10 2.1. Первые механические счетные приборы ............................................. 10 2.2. Первые аналитические машины ............................................................ 15 § 3. Электронные вычислительные машины .................................................. 21 3.1. Периодизация развития ЭВМ ................................................................ 21 3.2. Электронное машиностроение в России .............................................. 30 3.3. Аналоговые и цифровые вычислительные машины ........................... 36 ГЛАВА 2. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ .................................................................... 38 § 4. Элементы алгебры логики ......................................................................... 38 4.1. Основные операции Булевой алгебры .................................................. 38 4.2. Тождества. Основные законы и соотношения Булевой алгебры ....... 44 4.3. Составление логической функции по таблице истинности ............... 52 § 5. Минимизация логических функций ......................................................... 54 5.1. Аналитический метод ............................................................................ 54 5.2. Графический метод карты Карно (1953) ........................................... 56 ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ................................... 63 § 7. Арифметические устройства ..................................................................... 63 7.1. Сумматоры .............................................................................................. 63 7.2. Вычитатели ............................................................................................. 68 § 8. Узлы цифровой электроники ..................................................................... 71 8.1. Шифратор ................................................................................................ 71 8.2. Дешифратор ............................................................................................ 72 8.3. Мультиплексор ....................................................................................... 74 8.4. Демультиплексор .................................................................................... 77 § 9. Элементы последовательной логики. Триггеры ...................................... 80 9.1. Триггеры с раздельным запуском (RS−триггеры) .............................. 80 9.2. Триггер с приемом информации по одному входу (D−триггер) ....... 83 9.3. Триггер со счетным входом (Т-триггер) .............................................. 84 § 10. Счетчики .................................................................................................... 85 § 11. Регистры .................................................................................................... 87 ГЛАВА 4. ПАМЯТЬ ЭВМ. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЗАПИСИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ................................................................................................................ 88 § 12. Память ЭВМ .............................................................................................. 88 12.1. Функции памяти ................................................................................... 89 12.2. Характеристики запоминающих устройств ....................................... 90 12.3. Запоминающие среды .......................................................................... 90 12.4. Перфокарты и перфоленты .................................................................. 93 § 13. Запись информации на магнитных носителях ....................................... 94 13.1. Запись информации на магнитной пленке ......................................... 96 13.2. Запись информации на ферритовых кольцах и магнитной матрице 97 13.3. Нанокольца и наностержни для магнитной записи ........................ 100 § 14. Оптическая память ................................................................................. 101 14.1. Голография .......................................................................................... 102 14.2. Оптические диски ............................................................................... 103 4 § 15. Сверхпроводящая память (криогенная память) ................................... 108 15.1. Сверхпроводимость и ее свойства .................................................... 108 15.2. Принцип записи информации на сверхпроводниках ...................... 110 15.3. Криотрон .............................................................................................. 110 15.4. Элемент памяти Кроу ......................................................................... 112 15.5. Сравнительная характеристика различных носителей информации ............................................................................................................... 116 § 16. Другие типы памяти ............................................................................... 117 16.1. Оксидная память ................................................................................. 117 16.2. Память на кварцевом стекле .............................................................. 117 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ ............................................................. 119 Кодирование информации .......................................................................... 119 Позиционная и непозиционная системы счисления ................................ 119 Египетская система ...................................................................................... 120 Система индейцев Майя .............................................................................. 121 Латинская (римская) система ..................................................................... 121 Перевод чисел из одной системы счисления в другую ............................ 123 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ............................................... 125 Лабораторная работа № 1 ............................................................................... 125 Лабораторная работа № 2 ............................................................................... 130 Лабораторная работа № 3 ............................................................................... 132 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. МАТЕРИАЛЫ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ЗАНЯТИЙ ........................ 134 Рабочая программа дисциплины «Основы микроэлектроники» ................ 134 Рабочий план ................................................................................................ 134 План семинарских занятий ............................................................................. 135 Задачи для подготовки к контрольной работе .............................................. 136 Список лабораторных работ ........................................................................... 137 Примерная тематика рефератов ..................................................................... 138 Рекомендуемая литература ............................................................................. 139 Основная ....................................................................................................... 139 Дополнительная ........................................................................................... 139 Литература для работы над темами рефератов ......................................... 139 Ретро литература .......................................................................................... 141 ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ ....................................................................... 142 Лабораторная работа № 1 ........................................................................... 142 Лабораторная работа № 2 ........................................................................... 143 Лабораторная работа № 3 ........................................................................... 144 ПРИЛОЖЕНИЕ 5. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КУРСА ПО ВЫБОРУ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ ............................ 147 Курс по выбору для учащихся основной школы «Системы счисления. Двоичная система счисления и ЭВМ» .............................................. 147 Тематическое планирование курса по выбору для основной школы ..... 147 Программа курса по выбору ....................................................................... 148 Введение ....................................................................................................... 148 История развития вычислительной техники ............................................. 148 Системы счисления. Двоичная система счисления .................................. 148 Список лабораторных работ ....................................................................... 149 Примерные темы реферативных работ ...................................................... 149 5 Предисловие Пособие посвящено рассмотрению практического применения ря- да вопросов математической логики. Книга имеет следующую структуру. Первая его часть посвящена изложению вопросов истории развития вычислительной технике, кото- рые могут быть полезны студентам педагогического вуза. Во второй ча- сти рассмотрены основные вопросы булевой алгебры и показаны прин- ципы практической реализации логических функций при построении конкретных устройств. Третья часть знакомит читателей с физическими основами памяти ЭВМ. Авторы пособия ставили своей целью объединить в нем все мате- риалы, необходимые для занятий. Поэтому кроме глав, посвященных рассмотрению теоретических вопросов, здесь же представлены описания лабораторных работ, задания для подготовки к контрольной работе, те- мы рефератов и список литературы, необходимой для работы над ними. Помимо основного текста авторы сочли необходимым поместить некоторые материалы, которые могут быть полезны для учителей ин- форматики. Это описание учебного оборудования и методические реко- мендации к нему. Учебное пособие может быть интересно преподавателям вуза, учителям и студентам. 6 Глава I. Из истории вычислительной техники Введение Любой человек, пользуясь своими органами чувств (зрением, слу- хом и т.п.), постоянно получает сведения об окружающем его мире. Эти сведения принято называть информацией. Информация может иметь различную природу. Это могут быть звуки, образы, запахи и многое дру- гое. Наше представление об исследуемом объекте тем полнее, чем более разнообразную информацию мы о нем получаем. Таким образом, ин- формация это важное понятие, которое характеризует самые разные сто- роны нашей жизни. Все сказанное выше относилось к бытовому воспри- ятию информации, но бывают ситуации, когда ее необходимо измерить и оценить достаточно точно. Рассмотрение информации в научном смысле позволяет измерить и объективно оценить ее, руководствуясь подходом предложенным осно- воположником теории информации Клодом Элвудом Шенноном. Естественно, при количественном измерении той или иной величи- ны возникает вопрос о единицах ее измерения. Так, единицей количе- ства информации принято считать такое ее количество, которое умень- шает неопределенность знания о предмете в два раза. Эта единица названа битом. Существует, правда, и другая единица измерения, назы- ваемая дитом (это количество, которое уменьшает неопределенность знания о предмете в десять раза), но она практически не используется. Как было сказано выше, человек постоянно воспринимает огромное количество информации, и с течением времени были придуманы раз- личные способы ее обработки: сначала речь шла только о цифрах и сче- те, а затем и о сортировке вербальной информации (иначе говоря, слов и предложений). Однако совершенствование таких устройств, к сожале- нию, не уменьшает информационного потока, а, напротив, приводит к его росту. Однажды ступив на этот путь, человечество попало в соб- ственную ловушку. В настоящее время для более эффективной работы с информацией используется компьютер, основные узлы которого посто- янно совершенствуются, поэтому в предлагаемой книге будут рассмот- рены лишь общие принципы их создания. В развитии вычислительной техники принято выделять три основ- ных этапа: домеханический, механический и электронный. 7 § 1. Домеханический этап Считать или вычислять можно различными способами: устно, письменно или с помощью дополнительных устройств. Первоначально устройствами для счета, используемыми человеком, служили наиболее доступные предметы. У разных народов предметы и приемы счета ока- зывались более или менее одинаковыми, а приспособления, используе- мые для этого, определялись природными условиями жизни людей. Средства для счета все время совершенствовались, так как объемы счи- таемого росли. Менее удобные инструменты постепенно выходили из употребления, оставались лишь наиболее перспективные. В итоге к се- редине XX века было получено устройство, без которого жизнь кажется нам теперь просто невозможной. Речь идет, разумеется, о компьютере. Но для начала обратимся к истории. Наиболее доступными устройствами счета, естественно, были те, что даны каждому из нас от природы: руки и ноги. Именно они и стали первыми счетными устройствами. Принципы счета на пальцах были описаны еще в средневековой Европе ирландским монахом Бéдой Достопочтенным (673–735 гг.). Они были не так уж и примитивны, и позволяли оперировать с числами вплоть до миллиона, а главное в то время были заложены системы счис- ления, которыми мы пользуемся до сих пор: пятеричная, десятеричная, двадцатеричная. Кстати сказать, именно анатомические особенности строения рук обусловили выбор человеком соответствующих систем счисления. Хорошо известен и еще один способ счета с помощью зарубок на деревянных палочках, известен он был еще со времен фараонов и про- существовал в Англии вплоть до XVII века (вспомним Робинзона Крузо, он тоже был вынужден пользоваться этим способом). В странах, где лес отсутствовал, для счета использовали камешки, бусинки, веревки с узелками (Китай, Индия) и т.п. С увеличением объемов считаемого пришлось искать способ уменьшения количества перекладываемых предметов. Для удобства ма- нипуляций с ними требовалась их иная организация. В Древней Греции для облегчения вычислений стали применять счетную доску абак. Здесь взаимное положение камешков определяло конкретное число. 8 В Древнем Риме такая доска назывался calculi и изготовлялась из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Впоследствии это слово трансформировалось и используется нами до сих пор для обозна- чения счетных устройств «калькулятор». Китайцы заменили камешки бусинками, нанизанными на прутики, проволоку или веревки. Китайская разновидность абака – суаньпань (VI в.), а в Японии это устройство называлось соробан (XVI–XVI в.в.). При раскопках древнего города инков также было найдено устройство счета, которое называлось юпана и отличалось от всего перечисленного выше тем, что позволяло перемещать некие предметы в трех измерени- ях. Точного принципа счета на ней пока установить не удалось, но есть предположение, что для счета использовали числа Фибоначчи Рис. 1. Юпана В России также был придуман инструмент для вычислений рус- ские счеты. Стоит заметить, что они были наиболее удобными из всех перечисленных выше. Их изобретение относят примерно к середине XVII века.Они имели сначала четыре, а затем два счетных поля и были универсальным счетным прибором. Десятичная позиционная система счисления еще только начинала распространяться в России, и практиче- ски все вычисления производились на счетах. Не следует думать, что счеты использовали только в России. Аналогичное счетное устройство было, например, в Англии, где носило имя счеты Хилла. 9 Рис. 2. Использование счетов Огромный шаг в развитии вычислительной техники произошел бла- годаря изобретению логарифмов (XVII в.). Вот что по этому поводу пи- сал известный ученый И. Кеплер профессору математики В. Шиккарду: «…некий шотландский барон выступил с блестящим достижением: он каждую задачу на умножение и деление превращает в чистое сложение и вычитание…» Имя этого шотландского барона Джон Непер, который в 1614 г. опубликовал свою работу «Описание удивительных таблиц логариф- мов». Им же были предложены счеты в виде набора из деревянных брусков, на которых была размещена таблица умножения. С их помо- щью было можно выполнять все арифметические операции. Палочки представляли собой таблицу умножения от 1×1 до 9×9, расположенную на девяти линейках. Еще на одной линейке были нане- сены числа от 1 до 9, она размещалась слева. 10 Рис. 3. Палочки Непера Пусть необходимо умножить 4681 на 7. Выбираем палочки соответ- ственно с номерами 1, 4, 6, 8. И смотрим на седьмую строку (по палочке, размещенной слева) Рис. 4. Счет с помощью палочек Непера 2 8 4 2 5 6 0 7 Теперь сложим по диагонали справа налево и получим результат 32767. |