Файл: Electron_SE.pdf

211

8. ÖÈÔÐβ Ì²ÊÐÎÅËÅÊÒÐÎÍͲ ÏÐÈÑÒÐί

ìîæå  çàäàâàòèñÿ  â  ìåæàõ

â³ä 4,5 äî 18 âîëüò, à ñòðóì

íàâàíòàæåííÿ ñÿãຠ100 ì³-

ë³àìïåð  (200  ì³ë³àìïåð  ó

²ÌÑ 555).

Ñõåìè  îäíîâ³áðàòîðà  ³

ìóëüòèâ³áðàòîðà, ïîáóäîâà-

íèõ íà ²ÌÑ Ê1006ÂÈ1, íà-

âåäåí³ íà ðèñ. 8.25 ³ 8.26 â³ä-

ïîâ³äíî.

Ó  öèõ  ïðèñòðîÿõ  âåëè-

÷èíó ºìíîñò³ êîíäåíñàòîðà

ìîæíà  çàäàâàòè  á³ëüøîþ

çà 100 ï³êîôàðàä, à îïîðó

ðåçèñòîð³â – â³ä 1 ê³ëîîìó

äî 10 ìåãàîì (äëÿ çàáåçïå-

÷åííÿ ïðàöåçäàòíîñò³ ²ÌÑ

³ âèêëþ÷åííÿ âïëèâó ïàðà-

çèòíèõ ºìíîñòåé ³ îïîð³â íà

ïàðàìåòðè  ãåíåðîâàíèõ

³ìïóëüñ³â).

Òðèâàë³ñòü ³ìïóëüñó îä-

íîâ³áðàòîðà ñòàíîâèòü:

,

1

,1 RC

t

i

≈

(8.24)

à ïåð³îä ãåíåðîâàíèõ ìóëüòèâ³áðàòîðîì ³ìïóëüñ³â:

– áåç ä³îäà:

;

)

2

(

7

,

0

1

2

C

R

R

T

+

≈

(8.25)

– ç ä³îäîì:

.

)

(

7

,

0

1

2

C

R

R

T

+

≈

(8.26)

Çì³íþþ÷è ñï³ââ³äíîøåííÿ âåëè÷èí îïîð³â R

1

 ³ R

2

, ìîæíà çì³íþâàòè

øïàðóâàò³ñòü ïîñë³äîâíîñò³ ãåíåðîâàíèõ ³ìïóëüñ³â

2

1

2

1

2

R

R

R

R

Q

+

+

=

.

(8.27)

²ÌÑ òàéìåðà 555 çíàéøëà ÿêíàéøèðøå âèêîðèñòàííÿ ïðè ïîáóäîâ³

³ìïóëüñíèõ ïðèñòðî¿â. Ó ÑØÀ ÿêîñü íàâ³òü îãîëîøóâàâñÿ êîíêóðñ: õòî

çàïðîïîíóº á³ëüøå âàð³àíò³â çàñòîñóâàííÿ ö³º¿ ²ÌÑ.

G

+U

Å

R

S

Q

G

U

C

R

+U

æ

D

Âõ³ä çàïóñêó

0,01 

ìêÔ

Âèõ³ä

Ðèñ. 8.25 – Îäíîâ³áðàòîð íà ²ÌÑ Ê1006ÂÈ1

G

+U

Å

R

S

Q

G

U

C

R2

+U

æ

D

0,01 

ìêÔ

Âèõ³ä

R1

VD

Ðèñ. 8.26 – Ìóëüòèâ³áðàòîð íà ²ÌÑ Ê1006ÂÈ1

212

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

8.10. Ì³êðîïðîöåñîðí³ ïðèñòðî¿

8.10.1. Çàãàëüí³ ïîëîæåííÿ. Äåùî ç ³ñòî𳿠ïðîöåñîð³â

²ç ðîçâèòêîì òåõíîëî㳿 ³ ñõåìîòåõí³êè ²ÌÑ âèíèêëà ìîæëèâ³ñòü ñòâî-

ðåííÿ íà îäíîìó êðèñòàë³ ö³ëîãî åëåêòðîííîãî ïðèñòðîþ, íàïðèêëàä,

ðàä³îïðèéìà÷à, âèì³ðþâàëüíîãî ïðèëàäó ÷è ïðèñòðîþ êåðóâàííÿ. Àëå, çðî-

çóì³ëî, ùî ïðè öüîìó ²ÌÑ (²ÌÑ) ñòàþòü âóçüêîñïåö³àë³çîâàíèìè. ² ÿêùî

ó âèïàäêó çàñòîñóâàííÿ ïðèñòðî¿â ìàñîâîãî ïðèçíà÷åííÿ, ùî ïðîäóêóþòü-

ñÿ äåñÿòêàìè òèñÿ÷ (ðàä³îïðèéìà÷, âèì³ðþâàëüíèé ïðèëàä), ç öèì ìîæ-

íà çìèðèòèñÿ, òî ç ïðèñòðîÿìè êåðóâàííÿ âèíèêàþòü âåëèê³ ïðîáëåìè.

Ïåðø çà âñå, àëãîðèòì (ïîñë³äîâí³ñòü âèêîíàííÿ ä³é, ùî âåäå äî

óñï³õó) êåðóâàííÿ ÷àñòî º ³íäèâ³äóàëüíèì (íàïðèêëàä, äëÿ êîæíîãî ç

àâòîìàòè÷íèõ ìàí³ïóëÿòîð³â, ùî ïðàöþþòü íà ñêëàäàëüíîìó êîíâåºð³

ç âèðîáíèöòâà àâòîìîá³ë³â). Êð³ì òîãî, ó ïðîöåñ³ åêñïëóàòàö³¿ òåõíîëî-

ã³÷íîãî óñòàòêóâàííÿ ÷àñòî âèíèêຠíåîáõ³äí³ñòü ó çàì³í³ âñüîãî àëãî-

ðèòìó êåðóâàííÿ àáî éîãî ÷àñòèí (äîáàâëåííÿ àáî âèëó÷åííÿ îïåðàö³é,

çì³íà ïîñë³äîâíîñò³ ¿õíüîãî âèêîíàííÿ). Çàñòîñóâàííÿ Â²ÌÑ ó òàêîìó

ðàç³ ç åêîíîì³÷íî¿ òî÷êè çîðó íåäîö³ëüíå.

Àëå é ïîáóäîâà ïðèñòðî¿â êåðóâàííÿ íà îñíîâ³ óí³âåðñàëüíèõ ²ÌÑ

ñåðåäíüîãî ñòóïåíÿ ³íòåãðàö³¿, õî÷à öå é ìåíøå êîøòóº, òåæ íå º âäà-

ëèì âèõîäîì, áî çì³íè àëãîðèòìó ïðè öüîìó âåäóòü äî çì³íè åëåêòðè÷-

íî¿ ñõåìè ïðèñòðîþ êåðóâàííÿ (ïîâí³ñòþ àáî ó äåÿêèõ ¿¿ ÷àñòèíàõ).

Äî ðå÷³, ïðèñòðî¿ êåðóâàííÿ ç íåçì³ííèì àëãîðèòìîì íàçèâàþòü ïðè-

ñòðîÿìè ç  æîðñòêîþ  ëîã³êîþ.

Óñóíóòè ïðîòèð³÷÷ÿ ì³æ ñòóïåíåì ñêëàäíîñò³ Â²ÌÑ ³ ìîæëèâ³ñòþ ¿¿

óí³âåðñàëüíîãî âèêîðèñòàííÿ âäàëîñÿ çà ðàõóíîê çàñòîñóâàííÿ ïðîãðà-

ìóâàííÿ âèêîíóâàíèõ ôóíêö³é (ó íàéïðîñò³øîìó âèïàäêó öå, íàïðèê-

ëàä, ïðîãðàìóâàííÿ êîåô³ö³ºíòà ïåðåðàõóíêó ë³÷èëüíèêà ³ìïóëüñ³â).

Çàðàç îñíîâíèì òèïîì ïðîãðàìîâàíèõ Â²ÌÑ, ùî ìàþòü íàéá³ëüøó

³íôîðìàö³éíó ïîòóæí³ñòü, º ì³êðîïðîöåñîð.

̳êðîïðîöåñîð (ÌÏ) – öå ïðîãðàìíî êåðîâàíèé ïðèñòð³é îïðàöþ-

âàííÿ öèôðîâî¿ ³íôîðìàö³¿, âèêîíàíèé ó âèãëÿä³ îäí³º¿ (ð³äøå äåê³ëüêîõ)

²Ñ. Ôóíêö³¿ ÌÏ àíàëîã³÷í³ äî ôóíêö³é öåíòðàëüíîãî ïðîöåñîðà öèôðî-

âî¿ ÅÎÌ. Éîãî ìîæíà ââàæàòè îäíèì ç íàéá³ëüøèõ äîñÿãíåíü ñó÷àñ-

íî¿ ì³êðîåëåêòðîí³êè.

213

8. ÖÈÔÐβ Ì²ÊÐÎÅËÅÊÒÐÎÍͲ ÏÐÈÑÒÐί

Òóò ñë³ä çàçíà÷èòè, ùî ñïðîáè àâòîìàòèçóâàòè îá÷èñëþâàëüí³ ðîáî-

òè ðîáèëèñü çäàâíà ³ çàéìàëèñÿ öèì íàéâèäàòí³ø³ ìèñëèòåë³ ³ äîñë³ä-

íèêè. Àëå ð³âåíü òåõí³êè ³ òåõíîëî㳿 íå äàâàâ çìîãè ñòâîðèòè â³äïîâ³äí³

ïðèñòðî¿. Ëèøå ç ñåðåäí³õ â³ê³â ïî÷èíàþòüñÿ çðóøåííÿ ó ö³é ñïðàâ³.

Òàê, ó 1642 ðîö³ ô³çèê Á. Ïàñêàëü ïîáóäóâàâ ìåõàí³÷íó ìàøèíó, ùî

âèêîíóâàëà îïåðàö³¿ äîäàâàííÿ òà â³äí³ìàííÿ (íàäàë³ áóëî çàñòîñîâà-

íî äî ï’ÿòäåñÿòè òàêèõ ìàøèí). Ïîä³áí³ ïðèñòðî¿ ðîçðîáëÿëè í³ìåöü-

êèé  ìàòåìàòèê  Ã.Â. Ëåéáí³ö  ³  ðîñ³éñüêèé  ìàòåìàòèê  Ï.Ë. ×åáèøåâ

(îð³ºíòîâàí³ íà ðîçâ’ÿçàííÿ ð³âíÿíü âèùî¿ ìàòåìàòèêè), à ï³çí³øå ðî-

ñ³éñüêèé ³íæåíåð Â.Ò. Îðäíåð. “Êîëåñî Îðäíåðà” ñòàëî îñíîâîþ àðèô-

ìîìåòð³â. Äàë³ áóëè åëåêòðîìåõàí³÷í³ ïðèñòðî¿ – íà åëåêòðîìàãí³ò-

íèõ ðåë堖 òà, íàðåøò³, åëåêòðîíí³ – ñïî÷àòêó íà ëàìïàõ, à ïîò³ì íà

òðàíçèñòîðàõ òà ²ÌÑ.

Íàéá³ëüø áëèçüêèì ïðîîáðàçîì ñó÷àñíèõ öèôðîâèõ ÅÎÌ º ìåõàí³-

÷íࠓàíàë³òè÷íà ìàøèíà” àíãë³éñüêîãî ìàòåìàòèêà ×. Áåáá³äæà, çàï-

ðîïîíîâàíà íèì 1833 ð. ³ ï³çí³øå ðåàë³çîâàíà éîãî ñèíîì (äîäàâàííÿ

äâîõ ÷èñåë òðèâàëî 2 ñåêóíäè, à ìíîæåííÿ – õâèëèíè). Ó ö³é ìàøèí³

âïåðøå áóëà çàïðîïîíîâàíà ³ ðåàë³çîâàíà ³äåÿ ïðîöåñîðà, ùî ïî÷åðãî-

âî âèêîíóº ó çàäàí³é ïîñë³äîâíîñò³ íàïåðåä çàäàí³ ìàòåìàòè÷í³ îïå-

ðàö³¿ íàä ÷èñëàìè. Ñòðóêòóðà ïðîöåñîðà ×. Áåáá³äæà, íàâåäåíà íà

ðèñ. 8.27, íå çàçíàëà ñóòòºâèõ çì³í ³ äî ñüîãîäí³.

ÀËÏ

ÏÂÂ

ÇÏ

ÏÊ

Ïðîãðàìà

Ïðîöåñîð

Ðèñ. 8.27 – Ñòðóêòóðà ïðîöåñîðà

Àðèôìåòèêî-ëîã³÷íèé ïðèñòð³é (ÀËÏ) òóò âèêîíóº àðèôìåòè÷í³

àáî ëîã³÷í³ ä³¿ íàä ÷èñëàìè (êîäàìè) ó ïîðÿäêó, ùî çàäàºòüñÿ ïðèñòðîºì

214

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

êåðóâàííÿ (ÏÊ) çã³äíî ç ïðîãðàìîþ, ÿêà ââîäèòüñÿ äî íüîãî (íàïðèê-

ëàä, ç ïåðôîðàòèâíî¿ ñòð³÷êè).

Ïðàêòè÷íå çàñòîñóâàííÿ ïðîöåñîðà ìîæëèâå çà íàÿâíîñò³ ïðèñòðîþ

ââîäó ³ âèâîäó ÷èñåë (ÏÂÂ) ³ çàïàì’ÿòîâóâàëüíîãî ïðèñòðîþ (ÇÏ),

íåîáõ³äíèõ äëÿ ââîäó âèõ³äíèõ äàíèõ, âèâîäó ðåçóëüòàò³â òà çáåðåæåí-

íÿ ïðîì³æíèõ ðåçóëüòàò³â.

Ïîâíà ìåõàí³÷íà îá÷èñëþâàëüíà ìàøèíà, ùî ìàëà ïðîöåñîð, Ï ³

ÇÏ, ïîáóäîâàíà 1936 ð. ó Í³ìå÷÷èí³ ï³ä êåð³âíèöòâîì Ê. Öóçå. Òîä³ æ

ç’ÿâëÿºòüñÿ é ïåðøà àëãîðèòì³÷íà ìîâà äëÿ íàïèñàííÿ ïðîãðàì äëÿ

ö³º¿ ìàøèíè. Ç öüîãî ÷àñó ðîçïî÷èíàºòüñÿ ñòð³ìêèé ðîçâèòîê ïðîöå-

ñîð³â ÿê îñíîâíî¿ ëàíêè îá÷èñëþâàëüíî¿ ìàøèíè.

Ó 1938 ð. ï³ä êåð³âíèöòâîì Ê. Öóçå ñòâîðåíî ïðîöåñîð íà åëåêòðîìàã-

í³òíèõ ðåëå, ùî çá³ëüøèëî øâèäê³ñòü âèêîíàííÿ îïåðàö³é ó äåñÿòêè ðàç³â.

1946 ðîêó ó ÑØÀ ïîáóäîâàíî ïåðøó åëåêòðîííó îá÷èñëþâàëüíó

ìàøèíó ENIAK, ùî ì³ñòèëà 18000 åëåêòðîííèõ ëàìï (äîäàâàííÿ ³

â³äí³ìàííÿ òðèâàëî 200 ì³êðîñåêóíä, à ìíîæåííÿ 2800 ì³êðîñåêóíä).

Îäíà ç ïåðøèõ ðàäÿíñüêèõ ÅÎÌ, ïðèçíà÷åíà äëÿ ñåð³éíîãî âèðîáíèö-

òâà, “Ñòðåëà” áóëà ñòâîðåíà ó 1953 ðîö³. Âîíà ì³ñòèëà 6000 ëàìï, ñïîæè-

âàëà ïîòóæí³ñòü 150 êÂÀ ³ ðîçì³ùóâàëàñÿ ó ïðèì³ùåíí³ ïëîùåþ 300 ì

2

:

óí³ô³êîâàí³ ¿¿ êîì³ðêè (ëîã³÷í³ åëåìåíòè, òðèãåðè òà ³í.) ì³ñòèëèñÿ ó 6 âåð-

òèêàëüíèõ ñò³éêàõ âèñîòîþ 2,5 ìåòðè òà ó ïóëüò³ îïåðàòîðà. Âîíà âèêî-

íóâàëà 2000 îïåðàö³é çà ñåêóíäó. ¯¿ ïîñò³éíî îáñëóãîâóâàëè 5-7 òåõí³ê³â.

Âæå ó 1955 ðîö³ ç’ÿâëÿþòüñÿ òðàíçèñòîðí³ ïðîöåñîðè, à ç ïî÷àòêó

60-õ ðîê³â – âèêîíàí³ íà ²ÌÑ ñåðåäíüîãî ñòóïåíÿ ³íòåãðàö³¿ (ïðîöåñîð

âèêîíóâàâñÿ äåñü íà ï’ÿòäåñÿòè ²ÌÑ).

Äëÿ ïîÿâè ì³êðîïðîöåñîðà (ïðîöåñîðà ó ì³êðîâèêîíàíí³ – ó âèãëÿä³

²ÌÑ) íåîáõ³äíà áóëà íå ò³ëüêè òåõíîëîã³÷íà áàçà, ùî âæå ç’ÿâèëàñÿ íà

ê³íåöü 60-õ ðîê³â, à é óñâ³äîìëåííÿ, ðîçóì³ííÿ òîãî, ùî ïðîãðàìíî êå-

ðîâàíà ëîã³êà á³ëüø åôåêòèâíà ³ ïðîñò³øà ó âèêîíàíí³ ïðè ðåàë³çàö³¿

ñêëàäíèõ ôóíêö³é, í³æ ñõåìè ç æîðñòêîþ ëîã³êîþ.

Òàê, 1969 ð. ñï³âðîá³òíèê ô³ðìè INTEL (ÑØÀ) Ì. Õîôô îòðèìàâ

ïðîïîçèö³þ â³ä ÿïîíñüêî¿ ô³ðìè BASICOM ðîçðîáèòè êîìïëåêò ²ÌÑ

äëÿ âèêîíàííÿ óñ³õ ìàòåìàòè÷íèõ ä³é ³ ðîçðàõóíêó óñ³õ ñòàíäàðòíèõ

ôóíêö³é óí³âåðñàëüíèì êàëüêóëÿòîðîì. Ïåðåäáà÷àëîñÿ ñòâîðåííÿ äâà-

íàäöÿòè  ²ÌÑ  íà  2000  òðàíçèñòîð³â  êîæíà,  ùî  ìàëè  á  âèêîíóâàòè

â³äïîâ³äí³ ãðóïè ç çàäóìàíèõ ôóíêö³é. Îäíàê Ì. Õîôô çàïðîïîíóâàâ

215

8. ÖÈÔÐβ Ì²ÊÐÎÅËÅÊÒÐÎÍͲ ÏÐÈÑÒÐί

âèêîðèñòàòè ëèøå îäíó óí³âåðñàëüíó ²ÌÑ ç ïðîãðàìíèì êåðóâàííÿì,

ùî âèêîíóâàëà á óñ³ çàäàí³ ôóíêö³¿, à çà íåîáõ³äíîñò³ – é ³íø³.

ªäèíèì íåäîë³êîì áóëî çá³ëüøåííÿ ÷àñó îá÷èñëåíü, ùî íåçâîðîòíå

çà ïðîãðàìíî¿ ðåàë³çàö³¿ (ïîð³âíÿíî ç æîðñòêîþ ëîã³êîþ). Àëå äëÿ êàëü-

êóëÿòîðà öå áóëî íåñóòòºâî: çá³ëüøåííÿ òðèâàëîñò³ îá÷èñëåíü ³ç äåñÿòê³â

ì³êðîñåêóíä äî äåñÿòê³â ì³ë³ñåêóíä êîðèñòóâà÷åì íå ïîì³÷àëîñü.

Îòæå, ó 1971 ðîö³ ô³ðìà INTEL ñòâîðèëà ì³êðîïðîöåñîð INTEL 4004,

ùî âèêîíóâàâ îïåðàö³¿ ç ÷îòèðèðîçðÿäíèìè äâ³éêîâèìè ÷èñëàìè ³ âì³ùó-

âàâ 2250 òðàíçèñòîð³â.

ǒÿâèâøèñü ó ì³êðîêàëüêóëÿòîðàõ, ì³êðîïðîöåñîðè (ïðîãðàìíà ëî-

ã³êà) ñòàëè çàñòîñîâóâàòèñü ó íàéð³çíîìàí³òí³øèõ îá÷èñëþâàëüíèõ ³

êåðóþ÷èõ ïðèñòðîÿõ, âèò³ñíÿþ÷è ñõåìè ç æîðñòêîþ ëîã³êîþ.

8.10.2. Îñîáëèâîñò³ ðîáîòè ³ âèêîðèñòàííÿ ì³êðîïðîöåñîð³â.

Äâ³éêîâà ñèñòåìà ÷èñëåííÿ. Ñòðóêòóðà ì³êðîïðîöåñîðíî¿

ñèñòåìè

Îñîáëèâ³ñòþ ñó÷àñíèõ ïðîöåñîð³â º òå, ùî âîíè ïðàöþþòü ³ç ÷èñëàìè,

ïðåäñòàâëåíèìè íå ó äåñÿòêîâ³é, à ó äâ³éêîâ³é ñèñòåì³ ÷èñëåííÿ:

÷èñëî ïðåäñòàâëÿºòüñÿ íå ÿê ñóìà ñòóïåí³â ÷èñëà 10, ïîìíîæåíèõ íà

â³äïîâ³äí³ ÷èñëà â³ä 0 äî 9:

,

10

...

10

10

10

1

2

3

1

2

0

1

10

n

n

a

a

a

a

N

⋅

+

+

⋅

+

⋅

+

⋅

=

+

          (8.28)

äå 

{

}

,

9

;...;

3

;

2

;

1

;

0

=

i

à

à ÿê ñóìà ñòóïåí³â ÷èñëà 2, ïîìíîæåíèõ íà 0 àáî 1:

,

2

...

2

2

2

1

2

3

1

2

0

1

2

n

n

a

a

a

a

N

⋅

+

+

⋅

+

⋅

+

⋅

=

+

             (8.29)

äå 

{ }

.

1

;

0

=

i

à

Ó ðåçóëüòàò³ îñíîâîþ òàêîãî ïðîöåñîðà º äâîñòàá³ëüíèé (òàêèé, ùî

ìຠäâà ñòàíè), à íå äåñÿòèñòàá³ëüíèé åëåìåíò.

Ïðèêëàäîì äâîñòàá³ëüíîãî åëåìåíòà, ïðèçíà÷åíîãî äëÿ çàïàì’ÿòî-

âóâàííÿ ³íôîðìàö³¿, º òðèãåð, à äåñÿòèñòàá³ëüíîã ìîæå áóòè äâ³éêî-

âî-äåñÿòêîâèé ë³÷èëüíèê. Äâ³éêîâî-äåñÿòêîâèé ë³÷èëüíèê, ùî ìຠ10

ñòàí³â, ïîáóäîâàíî íà ÷îòèðüîõ òðèãåðàõ. Ó òîé ñàìèé ÷àñ íà ÷îòèðüîõ

òðèãåðàõ ìîæå áóòè ïîáóäîâàíî ïðèñòð³é (íàïðèêëàä, òàêîæ ë³÷èëüíèê

àáî ðåã³ñòð), ùî ìຠ16 ñòàí³â. Çâ³äñè âèäíî, ÷îìó çà îñíîâó âçÿòî

äâ³éêîâó ñèñòåìó ÷èñëåííÿ. ¯¿ çàñòîñóâàííÿ ïðè ïîáóäîâ³ öèôðîâèõ åëåê-

òðîííèõ çàñîá³â ç îïðàöþâàííÿ ³íôîðìàö³¿ äຠçìîãó óíèêíóòè çíèæåííÿ