Учебное пособие для студентов педагогичес ких вузов. М. Карпов Е. В., 2016. 152 с
 Скачать 3.75 Mb.
|
|
§ 16. Другие типы памяти 16.1. Оксидная память В последнее время ведется разработка нового типа памяти − устройства высокоемкой резистивной памяти (Resistive Random Access Memory, RRAM) – на основе оксида кремния. Принцип реализации ре- зистивной памяти состоит в том, что в диэлектрике, при достаточно вы- сокой разности приложенных электрических потенциалов, образуются устойчивые каналы проводимости, которые можно разрушать и созда- вать тысячи раз. Наличие и отсутствие таких пробоев в диэлектрике можно интерпретировать как «1» и «0» цифровых данных. Ожидается, что RRAM, как более высокоемкая и быстродействую- щая память достаточно скоро может полностью вытеснит с рынка флэш- устройства. Производители считают, что возможен выпуск чипов RRAM разме- ром с почтовую марку и емкостью 1 ТБ данных. Рис. 43. Оксидная память 16.2. Память на кварцевом стекле Выше были рассмотрены различные типы носителей информации, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Одним общим недостатком для всех носителей является ограниченное время существо- вания носителя (все они постепенно портятся). Недавно появилось со- общение, что возможно найден способ преодоления этого недостатка, использованием в качестве носителя информации, кварцевого стекла. Уже был продемонстрирован опытный образец, представляющий собой квадратную пластинку со стороной 2 см и толщиной 2 мм. Запись дан- ных производится короткими интенсивными импульсами фемтосекунд- 118 ного лазера, формирующими в кварцевом стекле массив наноструктур. Информация хранится в пяти измерениях: три пространственные коор- динаты наноструктуры плюс ее размер и ориентация. Каждая нано- структура определенным образом изменяет направление и поляризацию проходящего через нее света, что делает возможным считывание дан- ных. Эти точки представляют информацию в привычной нам двоичной форме, и могут быть считаны с помощью оптического микроскопа. Уве- личение плотности записи информации достигается за счет увеличения количества слоев записи. В демонстрационном эксперименте были успешно произведены за- пись текстового файла размером 300 Кбит в три отстоящих друг от друга на 5 мкм слоя наноструктуированных областей и чтение этого файла. Самым же примечательным свойством этого носителя является его устойчивость к внешним воздействиям, как физическим, так и химиче- ским. В качестве иллюстрации такой устойчивости приводится такой ре- зультат: этот носитель выдержал двухчасовой прогрев при 1000 С. Этот результат дал основание утверждать, что хранение информации на таком носителе возможно в течение сотен миллионов лет. Впрочем, этот ре- зультат вряд ли кому-нибудь удастся проверить… 119 Приложение 1. Системы счисления Кодирование информации Из сказанного выше ясно, что компьютер весьма непростое устрой- ство и для того, чтобы он мог эффективно обрабатывать различную ин- формацию (числовую, текстовую, графическую и т.д.), ее необходимо представить в определенном виде, а именно в виде определенных зна- ков. Такое представление информации называется кодированием. В компьютерах используется двоичное кодирование, т.е. любая информа- ция по определенным правилам преоб- разуется и представляется в виде набо- ра цифр 1 или 0. Каждая цифра ма- шинного двоичного кода несет инфор- мацию в 1 бит. Одним из первых мате- матиков, которые занимались двоич- ной системой счисления, был Готфрид Вильгельм Лейбниц (1666 г., «Искус- ство составления комбинаций»). У Лейбница и возникла мысль, что дво- ичная система может стать универ- сальным логическим языком. Для того чтобы выяснить, что та- кое двоичный код и почему использу- ется именно он, необходимо разо- браться в том, каким образом можно записывать количественную ин- формацию об объектах. Оказывается, что для этого принято использо- вать числа, записанные с использованием определенных знаковых си- стем и по особым правилам. Совокупность знаковых систем и правил записи чисел называется системой счисления. Позиционная и непозиционная системы счисления В повседневной жизни мы в основном пользуемся десятичной си- стемой счисления (хотя существуют 60-тиричная, 12-тиричная и многие другие). Потребность считать у человека возникла очень давно. Еще пифа- горейцы говорили, подчеркивая практическую роль чисел в жизни чело- века: «Все есть число». Медаль, нарисованная В. Лейбницем, по- ясняет соотношение между двоичной и десятичной системами счисления 120 Однако сначала счетные операции были не так сложны, поэтому можно было обходиться самой простой системой счисления, делая за- сечки на палке или складывая камушки. По мере развития цивилизации, количества считаемых предметов возрастали, и это заставило человека изобретать более удобные способы их учета. Многие развитые цивилизации имели свои системы счисления, устройство которых зависело от уровня развития народа, традиций и многого другого. Рассмотрим несколько самых ярких примеров. Египетская система Египтяне придумали эту систему около 5 тыс. лет тому назад. Это одна из древнейших систем записи чисел, известная человеку. Запись производилась с помощью рисунков приведенных в таблице. Цифра Изображение Цифра Изображение 1 10 000 10 100 000 100 1 000 000 1000 10 000 000 Несложно заметить, что в изображениях цифр отражены предметы быта и некоторые другие представления, бытовавшие в то время. Записывались цифры в виде последовательного ряда, начинавшего- ся с больших значений и заканчивающегося меньшими. Если цифры ка- кого-либо разряда отсутствовали, то они пропускались. Например, − 1205, − 1 023 059. Записанное число определяется суммирование всех записываемых цифр с учетом их разряда. 121 Система индейцев Майя В основе этой системы лежал счет пятерками, т.е. при достижении пяти изменялось изображение символа. Цифра Изображение Цифра Изображение 1 9 2 10 3 11 4 12 5 13 6 15 7 19 8 0 или 20 Цифры записывались в виде столбцов с увеличением разряда свер- ху вниз. Например, 16 23 79 Число определялось суммированием всех записываемых цифр с учетом их разряда, также как и в древнеегипетской системе счисления. Латинская (римская) система Латинская система возникла в древнем Риме. Для изображения цифр использовались буквы, поэтому она называлась алфавитной систе- мы счисления. 122 Цифры 1 5 10 50 100 500 1 000 Изображение I V X L C D M (ранее Ф) Запомнить последовательность изображений цифр этой системы довольно сложно, но есть подсказка. Рассмотрев внимательно изображе- ния всех цифр, можно заметить, что каждое предыдущее изображение есть половинка от последующего. I − это половина от V, а X − это сумма двух V прямой и перевернутой и т.д. Сложнее дело обстоит с М, но это исключение, ранее эта цифра изображалась как Ф. Записывались цифры числа слева направо от большего значения к меньшему. Однако в этой системе счисления существует дополнительное пра- вило: последовательно одна и та же цифра не может быть записана больше четырех раз, такая комбинация заменяется комбинацией с пра- вилом вычитания, например: XXXX = XL (50 10); IIII = IV (5 1); CCCC = CD (500 100). Пример, записи числа в латинской системе счисления CCXXXVII = 100+100+10+10+10+5+1+1 = 237. Такая нумерация преобладала в Италии до XIII века, а в других странах Западной Европы − до XVI века. Она очень распространена в архитектуре, и гуляя по центру Москвы можно и сейчас увидеть на фа- садах зданий год их постройки, указанный в латинской системе счисле- ния. Славянская глаголическая система счисления также была алфавит- ной. Она организована по тем же правилам, что и латинская, однако ис- пользует изображение славянских букв. Для того чтобы не перепутать буквы и цифры, использовались титла − горизонтальные черточки над числами, или точки. Использовалась она с VIII по XIII в. Эти системы счисления, несмотря на их графические различия, имеют одно общее свойство − число определяется суммированием всех записанных цифр с учетом их разряда. Такие системы счисления называются непозиционными, т.е. запи- санное число находиться как сумма всех входящих в него цифр и не за- висит от их положения. Непозиционными системами являются такие си- 123 стемы счисления, в которых каждый символ сохраняет свое значение независимо от места его положения в числе. Существуют другие системы счисления называемые позиционны- ми. Система счисления называется позиционной, если одна и та же цифра имеет различное значение в зависимости от ее положения в по- следовательности цифр, изображающей число. Это значение меняется по некоторому закону в однозначной зависимости от позиции, занимае- мой цифрой. Примером позиционной системы счисления является десятичная система, наиболее привычная для нас и используемая в повседневной жизни. Есть основания полагать, что ее начали использовать еще в 1200 годах н.э. В десятичной системе любое число можно записать в виде суммы слагаемых, являющихся произведением числа 10 в какой-либо степени умноженного на коэффициент, в качестве которого выступают цифры записываемого числа. Рассмотрим пример. Число 689 в десятичной системе будет записа- но следующим образом 1 9 10 8 100 6 10 9 10 8 10 6 689 0 1 2 10 Могут быть и другие системы счисления, в основании которых мо- жет быть абсолютно любое число. Тогда запись этого числа будет опре- деляться так 0 1 2 g c g b g a abc g (мы рассматриваем в качестве примера числа, состоящие только из трех цифр, а их может быть сколько угодно). Пусть задано число в восьмеричной системе – 167. Запишем его: 0 1 2 8 8 7 8 6 8 1 167 Разумеется, все числа могут быть переведены из одной системы в другую. Перевод чисел из одной системы счисления в другую Преобразование числа из одной системы в другую не такая уж сложная задача. Для этого нужно записать его в развернутом виде, так как мы делали в предыдущем параграфе, а затем вычислить его значе- ние. Рассмотрим это на примерах. Поскольку мы говорили о десятичной и восьмеричной системах, установим связь между ними. 124 Возьмем все тоже число 167 и запишем его в развернутом виде, а затем вычислим его значение 10 0 1 2 8 119 7 48 64 1 7 8 6 64 1 8 7 8 6 8 1 167 Далее мы будем использовать двоичную систему, которая лежит в основе всех устройств в ЭВМ. . 109 1 1 2 0 4 1 8 1 16 0 32 1 64 1 2 1 2 0 2 1 2 1 2 0 2 1 2 1 1101101 10 0 1 2 3 4 5 6 2 125 Приложение 2. Лабораторный практикум Лабораторная работа № 1 И ССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ (ТТЛ) ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ Содержание работы заключается в изучении универсальных тран- зисторных логических элементов («И-НЕ», «ИЛИ НЕ») при потенци- альном способе физического представления информации. Приборы и принадлежности: макет с транзисторными схемами, мультиметр или вольтметр, источники питания (4,5 В). Введение В цифровых вычислительных устройствах обычно применяются потенциальный и импульсный способы физического представления ин- формации. Электрическим импульсом называют напряжение (ток), от- личающийся от постоянного уровня в течение короткого промежутка времени. Импульсы могут иметь различную форму. Наибольшее рас- пространение получили прямоугольные и треугольные импульсы. При потенциальном способе (рис. 1) двум значениям переменной «1» и «0» соответствуют разные уровни напряжения в соответствующей точке схемы (потенциальный код). Рис. 1 В данной работе используется потенциальный способ представле- ния информации. В работе предлагается изучить реализацию логических операций на дискретных элементах – транзисторах. Логические схемы на транзисторах обладают значительным пре- имуществом по сравнению с логическими схемами, выполненными на 126 диодах, так как последние требуют восстановления энергии, потерянной в логических цепях, а транзисторы, одновременно, выполняют функции и переключателей, и усилителей. Поиски повышения экономичности транзисторных логических эле- ментов привели к созданию схем с непосредственными связями, в кото- рых коллектор одного транзистора непосредственно связан с коллекто- ром и эмиттером другого, без каких-либо переходных элементов. Схемы с непосредственными связями могут иметь как параллельное (рис. 2), так и последовательное (рис. 3) включение транзисторов. В зависимости от кодирования входных сигналов одна и та же схема при любом вклю- чении транзисторов может выполнять либо операцию «ИЛИ-НЕ», либо «И-НЕ». U вых R 1 +U К Э Б X 2 К Э Б X 1 Y U вых R 1 +U К Э Б X 2 К Э Б X 1 Y Рис. 2 Рис. 3 Рассмотренные логические схемы в общем случае могут работать как при потенциальной, так и при импульсной форме сигналов. Задания, измерения и обработка результатов Задание 1. Изучите и объясните работу схемы, выполняющей логи- ческую операцию «НЕ» (рис. 4а). а) Соберите рабочую схему инвертора, изображенную на рис. 4б. б) На собранной установке проверьте выполнение логической опе- рации «НЕ» и заполните таблицу истинности. Измерьте напряжения на выходе (U вых ) при подаче на базу сигнала «0» ( 0 c U ) и «1» ( 1 c U ). 127 Указание: положение ключа СВ соответствует сигналу «1», СА – сигналу «0». U вых R 1 +U К Э Б X U вых R 1 +U К Э Б Y B C A а б Рис. 4 Задание 2. Изучите работу транзисторных логических элементов с непосредственными связями. а) Соберите схему, изображенную на рис. 5 и изучите ее работу на положительных сигналах в соответствии с кодированием, заданным на рис. 6а. Измерьте напряжения на выходе (U вых ) при появлении сигнала «0» ( 0 c U ) и «1» ( 1 c U ) на входах. Заполните таблицу истинности. U вых R 1 +U К Э Б X 2 К Б X 1 Y U C Рис. 5 128 0 C U 1 C U 0 1 0 C U 1 C U 0 1 а) б) Рис. 6 Установите, какую логическую функцию выполняет данная схема? Измените кодирование сигналов (рис. 6б). Заполните таблицу ис- тинности и проверьте, изменится ли выполняемая логическая функция. б) Соберите схему, изображенную на рис. 7, изучите ее работу на положительных сигналах в соответствии с кодированием, заданным на рис. 6а. Заполните таблицу истинности. U вых R 1 +U К Э Б X 2 К Э Б X 1 Y C C U C B Рис. 7 Установите, какую логическую функцию выполняет данная схема? Измените кодирование (рис. 6б). Заполните таблицу истинности и проверьте, изменится ли выполняемая логическая функция. Задание 3. Изучите и объясните работу схемы, выполняющей логи- ческую операцию «И». На собранной установке (схем на рис. 8) проверьте выполнение ло- гической операции «И» и заполните таблицу истинности. 129 R 1 +U К Э Б X 2 К Э Б X 1 Y C C U C B U вых R 1 +U К Э Б Y Рис. 8 Задание 4. Изучите и объясните работу схемы, выполняющей логи- ческую операцию «ИЛИ». На собранной установке (схема на рис. 9) проверьте выполнение логической операции «ИЛИ» и заполните таблицу истинности. U вых R 1 +U К Э Б Y U вых R 1 +U К Э Б X 2 К Б X 1 Y U C Рис. 9 Контрольные вопросы 1. В чем преимущество транзисторных и диодно-транзисторных схем? 2. Объясните работу транзистора в ключевом режиме. 3. Как работает на транзисторах схема «ИЛИ-НЕ»? схема «И-НЕ»? 130 Лабораторная работа № 2 ИЗУЧЕНИЕ ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА «И–НЕ» Содержание работы заключается в изучении логики элемента «И−НЕ», сборке и изучении простейших импульсных устройств. Приборы и принадлежности: панель смикросхемой К155ЛАЗ, ис- точники питания (4,5 В), мультиметр или вольтметр (5 В). Литература: 1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. – 576 с. 2. Марков Б.Г. Основы микроэлектроники и цифровой электроники: Учебное пособие. Волгоград: Перемена, 2004. – 168 с. 3. Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника: Учебник. М.: Высшая школа. – 288 с. 4. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с. Введение Лабораторная работа посвящена изучению логического элемента «И−НЕ» на микросхеме К155ЛА3, являющейся основой для создания различных цифровых устройств, описанных выше. Микросхема К155ЛА3 состоит из четырех элемен- тов «И-НЕ». Цифра два в маркировке содержит инфор- мацию о числе входов каждого из элементов. В данном случае он имеет 2 входа (существуют логические эле- менты с большим количеством входов), каждый из кото- рых работает независимо друг от друга. Цепи питания микросхемы общие и их не принято изображать на схе- ме. Схематически микросхема изображена на рисунке, где выводы 1 и 2 входы первого элемента, а вывод 3 – его выход и т.д. Вывод 7 соединяется с отрицательным полюсом ис- точника питания, а вывод 14 – с положительным. Напря- жение питания – 4,5 В. Так как элементы независимы, их в схемах часто изображают отдельно. & 1 2 3 & 4 5 6 & 9 10 8 & 12 13 11 131 Задания, измерения и обработка результатов Задание 1. Проверьте работоспособность микросхемы. Подайте на микросхему напряжение 4,5 В. Измерьте напряжение на выводах микросхемы с помощью мультиметра или вольтметра. Для это- го отрицательный выход прибора соедините с общей − отрицательной шиной микросхемы, а положительным выводом коснитесь поочередно входных выводов 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13, затем выходных 3, 6, 8, 11. На входных клеммах должно быть напряжение порядка 1,5 В, а на выход- ных – не более 0,3 В. Задание 2. Проверьте логику действия элемента «И-НЕ». Составьте таблицу истинности для элемента «И-НЕ» и проверьте логику работы этого элемента. Для этого подайте напряжение питания 4,5 В на микросхему. Для подачи логического «0» вход микросхемы (1 или 2) соедините с отрицательным выходом источника питания. Чтобы подать логическую единицу «1» на входы микросхемы (1 или 2) исполь- зуйте положительный выход источника питания 4,5 В. В качестве инди- катора используйте мультиметр или вольтметр. Задание 3. Изучите основные логические операции «НЕ», «ИЛИ», «И». Соберите схемы «НЕ», «ИЛИ», «И» из элементов «И-НЕ» и про- верьте логику работы этих элементов по таблицам истинности. Задание 4. Составьте логическую схему функции «ИСКЛЮЧАЮ- ЩЕЕ ИЛИ» на элементах «И-НЕ». Если в вашей логической схеме не более четырех элементов «И-НЕ», соберите схему и проверьте логику действия. Контрольные вопросы 1. Составьте таблицу истинности для элемента «И-НЕ». 2. Начертите схемы реализации базовых функций на элементе «И-НЕ». 3. Составьте таблицу истинности для функции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». 4. Начертите схему функции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» на элементе «И-НЕ». 5. Перечислите и докажите свойства функции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». 132 Лабораторная работа № 3 ИЗУЧЕНИЕ ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА «ИЛИ–НЕ» Содержание работы заключается в изучении логики элемента «ИЛИ-НЕ», сборке и изучении простейших импульсных устройств. Приборы и принадлежности: микросхема К155ЛЕ5, панель с красным светодиодом, панель с зеленым светодиодом, источники пита- ния (4,5 В), мультиметр или вольтметр (5 В). Литература: 1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. – 576 с. 2. Марков Б.Г. Основы микроэлектроники и цифровой электроники: Учебное пособие. Волгоград: Перемена, 2004. – 168 с. 3. Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника: Учебник. М.: Высшая школа. – 288 с. 4. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с. Введение Лабораторная работа посвящена изучению логи- ческого элемента «ИЛИ−НЕ» на микросхеме К155ЛЕ5, являющейся основой для создания различных цифро- вых устройств, описанных выше. Микросхема К155ЛЕ5 состоит из четырех элемен- тов «ИЛИ-НЕ». Цифра два в маркировке содержит ин- формацию о числе входов каждого из элементов. В данном случае он имеет 2 входа (существуют логиче- ские элементы с большим количеством входов), каж- дый из которых работает независимо друг от друга. Цепи питания микросхемы общие и их не принято изображать на схеме. Схематически микросхема изображена на рисун- ке, где выводы 2 и 3 входы первого элемента, а вывод 1 – его выход и т.д. Вывод 7 соединяется с отрицательным полюсом источника питания, а вывод 14 – с положительным. Напряжение питания – 4,5 В. Так как элементы незави- симы, их в схемах часто изображают отдельно. 1 2 3 1 1 5 6 4 1 8 9 10 1 11 12 13 133 Задания, измерения и обработка результатов Задание 1. Проверьте работоспособность микросхемы. Подайте на микросхему напряжение 4,5 В. Измерьте напряжение на выводах микросхемы с помощью мультиметра или вольтметра. Для это- го его отрицательный вывод соедините с общей − отрицательной шиной микросхемы, а положительным выводом коснитесь поочередно входных выводов 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, затем выходных 1, 4, 10, 13. На входных должно быть напряжение 1,5 В, а на выходных – не более 0,3 В. Задание 2. Проверьте логику действия элемента «ИЛИ-НЕ». Составьте таблицу истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» и проверь- те логику работы этого элемента. Для этого подайте напряжение пита- ния 4,5 В на микросхему и подключите красный светодиод к выходу (1) элемента «ИЛИ-НЕ». Для подачи логического «0» вход микросхемы (2 или 3) соедините с отрицательным выходом источника питания. Чтобы подать логическую единицу «1» на входы микросхемы (2 или 3) исполь- зуйте положительный выход источника питания 4,5 В. В качестве инди- катора используйте мультиметр или вольтметр. Задание 3. Изучите основные логические операции «НЕ», «ИЛИ», «И». Соберите схемы «НЕ», «ИЛИ», «И» на элементах «ИЛИ-НЕ» и проверьте логику работы этих элементов по таблицам истинности. Контрольные вопросы 1. Составьте таблицу истинности для элемента «ИЛИ-НЕ». 2. Начертите схемы реализации базовых функций на элементе «ИЛИ- НЕ». 3. Составьте таблицу истинности для функции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». 4. Начертите схему функции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» на элементе «ИЛИ-НЕ». 5. Перечислите и докажите свойства функции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». 134 Приложение 3. Материалы по организации занятий Рабочая программа дисциплины «Основы микроэлектроники» Целью курса является обучение будущего учителя информатики продуктивному восприятию технических аспектов информатики настолько, чтобы он представлял суть современных электронных систем и творчески применял полученные знания на практике, например, в школьной кружковой работе. Основные задачи курса: – формирование знаний в области теоретических принципов микро- электроники; – овладение умениями и навыками оценки функциональных, количе- ственных и качественных характеристик микроэлектронных компо- нентов компьютеров и периферийных устройств. Результатом изучения курса должны стать: – знания о физических основах полупроводниковой микроэлектрони- ки; – представления о принципах построения электронных приборов и устройств средствами микроэлектроники; – представления о технологических и технических аспектах средств информатики и, прежде всего, принципах конструирования эле- ментной базы цифровой вычислительной техники и средств комму- никаций. Рабочий план Введение. История развития вычислительной техники. Этапы раз- вития микроэлектроники. Основные положения и принципы микроэлек- троники. Факторы, определяющие развитие микроэлектроники. Класси- фикация изделий микроэлектроники. Современные направления разви- тия микроэлектроники. Элементы алгебры логики. Основные операции булевой алгебры. Базовые и универсальные логические функции. Графическое изображе- ние. Таблица истинности. Логическая функция «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» и ее свойства. Тождества и законы. Минимизация логических функций. Карты Карно. 135 Арифметико-логические устройства. Основные логические опе- рации: сравнение двоичных чисел (цифровой компаратор), контроль четности, мажоритарность, логический порог. Одноразрядный двоичный полусумматор. Полный сумматор. Принцип построения многоразрядных сумматоров. Полувычитатель. Полный вычитатель. Узлы цифровой электроники. Шифраторы, дешифраторы. Муль- типлексоры, демультиплексоры. Принцип работы, графические изобра- жения. Построение на базовых и универсальных логических элементах. Элементы последовательной логики. Триггер. Классификация и назначение триггеров. Асинхронный RS−триггер, синхронный RS−триггер, D-триггер, T-триггер. Графическое изображение. Таблицы истинности. Счетчики. Регистры. Память компьютера. Классификация запоминающих устройств (ЗУ) по назначению, способам записи, хранения и поиска информации. Принципы записи и хранения информации. Триггер как элемент памяти. Физические принципы записи и хранения информации. Запо- минающая среда. Запись, хранение и считывание информации. Устройства памяти с магнитной записью. Магнитный носитель. Ор- ганизация памяти на жестком (HDD) и гибком (FDD) магнитном диске. Физические принципы записи и хранения информации на лазерном дис- ке (CD ROM). Общие сведения о полупроводниках. Р-n переход. Полупроводнико- вый диод. Биполярные и униполярные транзисторы. Диодные ключи, транзисторные ключи на биполярных транзисторах. Транзисторные ключи на униполярных транзисторах. Триггер на биполярных транзи- сторах. Устройства памяти на полупроводниках. Оптические запоминающие устройства. Голографическая память. Магнитооптическая память. Память на сверхпроводниках. Криотрон. Элемент Кроу. Интегральная память машины и перспективы ее развития. План семинарских занятий Семинар 1. Элементы булевой алгебры. Тождества и законы алгеб- ры логики. Таблица истинности. Логические функции и их минимиза- ция. 136 Семинар 2. Применение методов цифровой электроники для разра- ботки электронных схем. Задачи (включение звуковых и световых сигна- лов). Семинар 3. Арифметико-логические устройства и их реализация на базовых логических элементах. Их реализация на базовых логических элементах. Семинар 4.Узлы цифровой электроники. Семинар 5. Триггеры Семинар 6. Контрольная работа. Семинар 7. Диодно-транзисторная логика. Семинар 8. Зачетное занятие. Задачи для подготовки к контрольной работе 1. Докажите теорему де Моргана для трех переменных: 3 2 1 3 2 1 x x x x x x 2. Спроектируйте логическую схему для трех переменных, которая вы- полняет следующую операцию: на выходе схемы формируется «1» в случае, если только на один вход подана «1». Опишите эту функцию ма- тематически. 3. Определите, справедливы ли приведенные ниже тождества: а) 3 1 2 1 3 2 3 1 2 1 x x x x x x x x x x ; б) ) )( ( 3 2 1 3 2 1 2 1 x x x x x x x x 4. Упростите следующие выражения, используя теорему де Моргана: а) 3 2 1 3 2 1 x x x x x x ; б) ) )( ( 3 2 1 2 1 x x x x x 5. Пусть схема реализует функцию 4 3 2 1 ) ( x x x x y в системе с положи- тельной логикой. Какой сигнал она будет формировать в системе с от- рицательной логикой? 6. Изобразите логическую схему, реализующую функцию 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x x x x y 7. Изобразите схему, которая реализовывала бы заданную функцию на элементах «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» ) )( )( )( ( 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x x x x y 137 8. Минимизируйте функцию всеми возможными способами 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x x x x y 9. Упростите функцию 3 1 3 2 3 2 1 3 2 1 ) ( x x x x x x x x x x y 10. Минимизируйте функцию с помощью карты Карно а) 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x y ; б) 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x y 11. Преобразуйте следующие выражения из СДНФ в СКНФ 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x x x x y 12. Постройте схемы, которые бы реализовали записанные функции только на элементах «И-НЕ»: а) 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x x x x y ; б) ) )( )( ( 3 2 1 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x y 13. Реализуйте следующие выражения, используя только элементы «И- НЕ» с двумя входами: а) 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 x x x x x x x x x x x x y ; б) ) )( )( )( ( 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 x x x x x x x x x x x x x x x x y 14. Упростите следующие выражения: а) 4 3 1 4 3 1 4 3 2 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x x x x x x x x y ; б) ) )( )( )( )( )( ( 4 3 4 2 3 2 4 1 3 1 2 1 x x x x x x x x x x x x y 15. Минимизируйте записанные ниже выражения алгебраическими ме- тодами: а) ) )( )( ( 3 2 3 2 1 3 2 3 2 1 x x x x x x x x x x y ; б) ) ) ( )( ( 3 2 3 2 1 3 2 1 x x x x x x x x y Список лабораторных работ № 1. Исследование работы транзисторных (ТТЛ) логических схем. № 2. Изучение базовых логических функций на основе универсальных элементов «И–НЕ». № 3. Изучение базовых логических функций на основе универсальных элементов «ИЛИ–НЕ». 138 Примерная тематика рефератов 1. Механические и электромеханические устройства и машины. 2. Самосчеты Буняковского. 3. Множительное устройство Слонимского. 4. Счислитель Куммера. 2. История развития электронных вычислительных компонентов. 3.Технология производства интегральных схем. 4. Эволюция идеи аналитических машин. 5. Аналитическая машина Ч. Беббиджа. 6. История развития аналитических машин в России. 7. Эволюция и роль систем ввода-вывода информации. 8. История развития ЭВМ в России. 9. Физические основы криогенной памяти ЭВМ. 10. Физические основы голографической памяти ЭВМ. 11. Физические основы магнитной памяти ЭВМ. 12. Физические основы магнитооптической памяти ЭВМ. 13. Архитектура носителей информации. 14. История развития компакт дисков. Сравнительный анализ па- раметров. 15. Перспективы увеличения емкости памяти на основе нанотех- нологий. 139 Рекомендуемая литература Основная 1. Марков Б.Г. Основы микроэлектроники и цифровой электроники. – Волгоград: Перемена, 2004. 2. Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем. – М., СПб., Киев: Издательский дом «Вильямс», 2004. 3. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. – М.: Но- лидж, 1998. 4. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. 5. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. – М.: Просвеще- ние, 1991. Дополнительная 1. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. – М.: Машиностроение, 1993. 2. Арсеньев Ю.Н. Проектирование систем логического управления на микропроцессорных средствах. – М.: Высшая школа, 1991. 3. Вычислительные машины, системы и сети/ Под ред. А.П. Пятибрато- ва. – М.: Финансы и статистика, 1991. 4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физи- ческие и технологические основы, надежность. – М.: Высшая школа, 1986. 5. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно- измерительной аппаратуре. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. 6. Иванов Е.Л., Степанов И.М., Хомяков К.С. Периферийные устройства – ЭВМ и систем. – М.: Высшая школа, 1987. 7. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика/ Под ред. Е.К. Хен- нера. – М.: ACADEMIA, 1999. Литература для работы над темами рефератов книги 1. Академик С.А. Лебедев. − Киев, 1992. 2. Апокин И.А., Майстров Л.Е. История вычислительной техники. От простейших счетных приспособлений до сложных релейных систем. – М.: Наука, 1990. 140 3. Апокин И.А., Майстров Л.Е. Развитие вычислительных машин. – М.: Наука, 1974. 4. Апокин И.А., Майстров Л.Е., Эдлин И.С. Чарльз Бэбидж (1791 – 1871). – М.: Наука, 1971. 5. Балашов Е.П., Частиков А.П. Эволюция вычислительных систем. – М.: Знание, 1981. – 64 с. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Радио- электроника и связь; № 3). 6. Балашов Е.П., Частиков А.П. Эволюция мини – и микроЭВМ. Малые вычислительные машины. – М.: Знание, 1983. – 63 с. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Радиоэлектроника и связь; №2). 7. Дорфман В.Ф., Иванов Л. В. ЭВМ и ее элементы. Развитие и оптими- зация. – М.: Радио и связь, 1988. 8. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – С. 51-56. 9. Майстров Л.Е., Петренко О.Л. Приборы и инструменты историческо- го значения: Вычислительные машины. – М.: Наука, 1981. 10. Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. – Киев: КИТ. 1994. 11. Розин В.М. Философия техники. – М., 2001. 12. Соловьев Н.В. Возникновение и развитие электроавтоматики и счет- но-решающих устройств в России: автореф. канд. дис. – М., 1962. журналы 1. Вайзер М. Компьютер XXI века/ В мире науки. − 1991. − № 11. – С. 40. 2. Гелернтер Д. Современное программирование/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 36. 3. Кан Р.Ж. Компьютерные сети/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 66. 4. Крайдер М.Х. Технология хранения данных/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 46. 5. Макинтош А.Р. Компьютер Атанасова/ В мире науки. − 1988. − № 10. – С. 70. 6. Мейндл Д.Д. Микросхемы для компьютеров/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 26. 7. Пилед Э. Следующая компьютерная революция/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 6. 8. Реннелс Г.Д., ШортлифЭ.Г. Вычислительные системы для медицины/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 86 141 9. Спасский И.Г. Происхождение и история русских счетов// Ист.–мат. исследования. – 1952. – Вып. 5. – С. 269-420. 10. Столл К. Первый карманный арифмометр/ В мире науки. − 2004. − № 4. – С. 76. 11. Тишин А.М. Память современных компьютеров// Соросовский обра- зовательный журнал. – 2001. – Т. 7. − № 7. – С. 116-121. 12. Топчеев Ю.И. Об истории создания суперЭВМ // История науки и техники. – 2002. – № 5. – С. 37-41. 13. Топчеев Ю.И. История создания цифровых механических и электро- механических вычислительных машин// История науки и техники. – 2002. – № 2. – С.48-58. 14. Тунг Х.М.Д., Гупта А. Персональный компьютер/ В мире науки. − 1983. − № 8. – С. 53. 15. Фокс Д.К., Мессина П.К. Архитектура компьютеров/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 16. 16. Фоли Д. Человеко-машинные интерфейсы/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 58. 17. Хат П., Сассмен Д.Д. Вычислительные системы для научных иссле- дований/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 76. 18. Хопкрофт Дж. Машины Тьюринга/ В мире науки. − 1984. − № 7. – С. 36. 19. Эрисман А.М., Невис К.В. Вычислительные системы для автоматиза- ции производства/ В мире науки. − 1987. − № 12. – С. 96. Ретро литература 1. Бооль фон В.Г. Арифмометр Чебышева // Тр. отделения физ. наук О-ва любителей естествознания. – 1984. – Т. 7. − Вып. 1. – С. 12-22. 2. Бооль фон В.Г. Приборы и машины для механического воспроизвод- ства арифметических действий. – 1896. – 244 с. 3. Бубнов Н.М. Подлинное сочинение Герберта об абаке или система элементарной арифметики классической древности. – Киев: Н.Т. Корчак-Новицкий, 1911. – 510 с. 4. Буняковский В.Я. О самосчетах и о новом их применении. – СПб., 1876. – 28 с. 142 Приложение 4. Лабораторный практикум для учащихся общеобразовательной школы Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ «И» (НА КЛЮЧАХ) Цель работы – ознакомить учащихся с логической операции «И» и реализацией ее с помощью ключей. Оборудование: 1) ключи (2 шт.); 2) лампа накаливания; 3) источник питания; 4) провода соединительные. Задание 1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис. 1. X 1 X 2 0 1 0 1 Рис. 1 Каждый из двух ключей на рис. 1 может находиться только в од- ном из состояний – включено или выключено. Присвойте определенное значение каждому положению ключа и состоянию лампы. Например: Ключ закрыт – 1 Ключ открыт – 0 Лампа включена – 1 Лампа выключена – 0 Задание 2. Исследуйте поведение лампы при различных положе- ниях ключей 1 X и 2 X в соответствии с таблицей 1. Заполните таблицу 1, обозначив состояние лампы в соответствии с присвоенными в предыду- щем задании. 143 Таблица 1 Положение ключа Состояние лампы Ключ 1 X Ключ 2 X 0 0 0 1 1 0 1 1 Задание 3. Сделайте вывод о том, какую операцию выполняет изу- ченная ключевая схема. Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ «ИЛИ» (НА КЛЮЧАХ) Цель работы – ознакомить учащихся с логической операции «ИЛИ» и реализацией ее с помощью ключей. Оборудование: 1) ключи (2 шт.); 2) лампа накаливания; 3) источник питания; 4) провода соединительные. Задание 1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис. 1. X 1 X 2 0 1 0 1 Рис. 1 Каждый из двух ключей на рис. 1 может находиться только в од- ном из состояний – включено или выключено. Присвойте определенное значение каждому положению ключа и состоянию лампы. Например: Ключ закрыт – 1 144 Ключ открыт – 0 Лампа включена – 1 Лампа выключена – 0 Задание 2. Исследуйте поведение лампы при различных положе- ниях ключей 1 X и 2 X в соответствии с таблицей 1. Заполните таблицу 1, обозначив состояние лампы в соответствии с присвоенными в предыду- щем задании. Таблица 1 Положение ключа Состояние лампы Ключ 1 X Ключ 2 X 0 0 0 1 1 0 1 1 Задание 3. Сделайте вывод о том, какую операцию выполняет изученная ключевая схема. Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ «НЕ» (НА КЛЮЧАХ) Цель работы – ознакомить учащихся с логической операции «НЕ» и реализацией ее с помощью ключей. Оборудование: 1) ключ; 2) лампа накаливания; 3) источник питания; 4) провода соединительные. Задание 1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис. 1. Ключ на рис. 1 может находиться только в одном из состояний – включено или выключено. Присвойте определенное значение каждому положению ключа и состоянию лампы. Например: Ключ закрыт – 1 Ключ открыт – 0 Лампа включена – 1 Лампа выключена – 0 145 X 1 0 1 Рис. 1 Задание 2. Исследуйте поведение лампы при различных положе- ниях ключа в соответствии с таблицей 1. Заполните таблицу 1, обозна- чив состояние лампы в соответствии с присвоенными в предыдущем за- дании. Таблица 1 Положение ключа Состояние лампы 1 0 Задание 3. Сделайте вывод о том, какую операцию выполняет изученная ключевая схема. Задание 4. Исследуйте универсальный логический элемент «И- НЕ». Для чего соберите цепь по схеме, представленной на рис. 2 и за- полните таблицу 2. X 1 0 1 X 2 0 1 Рис. 2 146 Таблица 2 Положение ключа Состояние лампы Ключ 1 X Ключ 2 X 0 0 0 1 1 0 1 1 Задание 5. Исследуйте универсальный логический элемент «ИЛИ- НЕ». Для чего соберите цепь по схеме, представленной на рис. 3 и за- полните таблицу 3. X 1 0 1 X 2 0 1 Рис. 3 Таблица 3 Положение ключа Состояние лампы Ключ 1 X Ключ 2 X 0 0 0 1 1 0 1 1 147 Приложение 5. Методические рекомендации для проведения курса по выбору для учащихся основной школы Курс по выбору для учащихся основной школы «Системы счисления. Двоичная система счисления и ЭВМ» Цели изучения курса: познакомить 1) с историей создания вычислительных устройств, 2) системами счисления, 3) двоичной арифметикой, элементами математической логики, 4) простейшими способами реализации их на ключевых элемен- тах. Задачи курса: Развитие представлений школьников о системах счисления и двоичной арифметике. Формирование навыков сборки электрических цепей, выпол- няющих простейшие логические операции. Рекомендуемое время проведения курса в основной школе – вто- рое полугодие 8 класса. Тематическое планирование курса по выбору для основной школы № п/п Тема Всего часов Количество часов Лекции Практиче- ские заня- тия Лабора- торные работы 1 Введение. История развития вычис- лительной техники 2 2 0 0 2 Системы счисления. Двоичная система счис- ления 4 2 2 0 3 Элементы булевой ал- гебры 6 2 1 3 4 Логические микросхемы 3 1 0 2 5 Итоговое занятие. Кон- ференция 2 0 2 0 Всего 17 148 Программа курса по выбору Введение Информация, ее представление и обработка. Единицы измерения количества информации. Компьютер ─ основное техническое средство информационных технологий. История развития вычислительной техники Краткая история ЭВМ: основные этапы развития; устройства, служащие для вычислений на каждом этапе; сведения о людях, внесших существенный вклад в развитие ЭВМ. Поколения ЭВМ. Перспективы развития компьютерной техники. Системы счисления. Двоичная система счисления Кодирование информации. Позиционная и непозиционная системы счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Двоичная система счисления Двоичная арифметика. Двоичные переменные и функции. Форму- лы для вычисления двоичных функций. Примеры вычисления двоичных функций. Элементы булевой алгебры Что такое алгебра? Двоичные алгебры как математическая основа построения логических схем компьютеров. Базис алгебры логики и бу- левой алгебры. Базовые и универсальные логические функции. Тожде- ства и законы булевой алгебры. Задачи, использующие операции двоичных алгебр. Лабораторные работы, позволяющие реализовать базовые логиче- ские функции (лабораторные работы № 1 ─ № 3). Лабораторные работы, позволяющие построить универсальные логические функции (лабораторная работа № 4 ─ № 5). Логические микросхемы Внешний вид логических микросхем, особенности их монтажа. Демонстрация простейших логических операций на микросхемах. Итоговое занятие. Конференция Выступления учащихся с рефератами по предложенным темам. 149 Список лабораторных работ Лабораторная работа № 1. «Исследование операции «НЕ». Лабораторная работа № 2. «Исследование операции «ИЛИ». Лабораторная работа № 3. «Исследование операции «И». Лабораторная работа № 4. «Исследование универсальной логиче- ской функции «ИЛИ-НЕ». Лабораторная работа № 5. «Исследование универсальной логиче- ской функции «И-НЕ». Примерные темы реферативных работ 1. Простейшие вычислительные инструменты. 2. Кто придумал арифмометр? 3. Что такое информация и как она передается? 4. Значение информации для человека. 5. Источники и каналы получения информации человеком. 6. Источники и каналы получения информации растениями и жи- вотными. 7. История развития ЭВМ. 8. Язык и арифметика машины. 9. Применение ЭВМ в науке и технике. 10. Применение ЭВМ в искусстве. 11. Использование компьютера при обучении. 150 Для заметок 151 Для заметок 152 Людмила Васильевна Королева, Елена Борисовна Петрова ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие Подписано в печать 02.02.2016 г. Формат издания 60×84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 9,5. Издатель Карпов Е.В. 121609, Москва, ул. Верейская, д. 29 Отпечатано в типографии "Триада-С", ИНН 5018115668 141080, М.О., г. Королёв, ул. Дзержинского, д. 24/2 Тел. (495) 287-4130. |