Схемотехническое построение элементов электронно-вычислительных машин

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр –
Всероссийский научно-исследовательский институт

экспериментальной физики»

Э. В. Запонов, А. А. Мартынов, М. В. Марунин

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ
ПОСТРОЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Учебно-методическое пособие

Саров
2015

УДК 621.3.049.77 + 004
ББК 32.973

Одобрено научно-методическим советом Саровского физико-технического
института Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Рецензенты: кандидат технических наук, доцент В. Ф. Клюев (Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского),
кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе 
Н. Ю. Бабанов (Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева)

З-30 

Запонов Э. В., Мартынов А. А., Марунин М. В.
Схемотехническое построение элементов электронно-вычислительных машин. Учебно-методическое пособие. –
Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015. – 108 с.

ISBN 978-5-9515-0275-9

Настоящее учебно-методическое пособие создано на основе ма
териалов лекций и практических занятий для студентов по курсу «Схемотехника ЭВМ». В пособии рассмотрены характеристики и параметры логических элементов, описана схемотехническая реализация
базовых логических элементов, комбинационных и последовательностных схем, а также их применение.

Пособие может быть полезно преподавателям и студентам со
ответствующих специальностей, а также инженерно-техническим
и научным работникам, занимающимся разработкой и применением 
электронно-вычислительной техники.

УДК 621.3.049.77 + 004
ББК 32.973

Авторы выражают благодарность М. В. Одинцову за помощь

в оформлении пособия

ISBN 978-5-9515-0275-9
© ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015

Схематика ЭВМ
3 

 
 

Содержание

 

Введение …………………………………………………………………………… 
5 

1. Базовые логические элементы ……………………………………… 
14 

1.1. Основные параметры и характеристики 

логических элементов …………………………………………….. 

 

14 

1.2. Быстродействие логических элементов .………………… 
21 

2. Основные логические функции …………………………………….. 
25 

3. Составление логических функций ………………………………… 
29 

4. Производные основных логических функций ………………. 
31 

5. Схемотехническая реализация основных 
     логических функций ……………………………………………………… 

 

34 

5.1. Резистивно-транзисторная логика …………………………. 
36 

5.2. Диодно-транзисторная логика ………………………............. 
37 

5.3. Транзисторно-транзисторная логика ……………………… 
39 

5.4. Интегральная инжекционная логика ……………………... 
42 

5.5. Эмиттерно-связная логика ……………………………………… 
44 

5.6. n-канальная МОП-логика ………………………………………… 
46 

5.7. Комплементарная МОП-логика ………………………………. 
48 

5.8. Обзор основных параметров 

логических элементов ……………………………………………... 

 

52 

6. Типовые комбинационные устройства .………………………… 
54 

6.1. Преобразователи кодов ……….………………………………….. 
54 

6.1.1. Дешифраторы ………………………………………………… 
54 

6.1.2. Шифраторы ……………………………………………………. 
63 

6.1.3. Преобразование произвольных кодов …………... 
63 

6.2. Коммутаторы …………………………………………………………… 
64 

6.2.1. Мультиплексоры ……………………………………………. 
64 

6.2.2. Демультиплексоры ………………………………………… 
68 

6.3. Арифметические устройства …………………………………... 
69 

6.3.1. Сумматоры  …………………………………………………….. 
69 

6.3.2. Цифровые компараторы ………………………………... 
71 

 

Схемотехническое построение элементов ЭВМ
4 

6.3.3. Контроль четности ………………………………………… 
73 

6.4. Постоянные запоминающие устройства ………………… 
74 

6.4.1. Параметры ПЗУ ……………………………………………… 
75 

6.4.2. Построение блоков памяти на БИС ПЗУ ………… 
75 

6.4.3. Применение ПЗУ для реализации 

произвольных логических функций ……………… 

 

79 

6.5. Программируемые логические матрицы ……………….. 
79 

7. Последовательностные схемы ………………………………………. 
81 

7.1. Триггеры …………………………………………………………………. 
81 

7.1.1. RS-триггер ……………………………………………………… 
81 

7.1.2. D-триггер типа «защелка» ……………………………… 
84 

7.1.3. Двухступенчатые триггеры …………………………… 
86 

7.1.4. Асинхронные входы триггеров ……………………… 
89 

7.2. Регистры …………………………………………………………………. 
90 

7.2.1. Параллельные регистры ………………………………… 
90 

7.2.2. Регистровая память ……………………………………….. 
92 

7.2.3. Сдвигающие регистры …………………………………… 
94 

7.3. Счетчики …………………………………………………………………. 
95 

7.3.1. Общие понятия ………………………………………………. 
95 

7.3.2. Асинхронные счетчики ………………………………….. 
96 

7.3.3. Синхронные счетчики ……………………………………. 
98 

7.3.4. Интегральные счетчики ………………………………… 
99 

7.3.5. Счетчики с различными коэффициентами 

пересчета ……………………………………………………….. 

 

102 

7.3.6. Применение счетчиков ………………………………….. 
103 

7.4. Оперативные запоминающие устройства ………………. 
104 

7.4.1. Разновидности оперативной памяти …………….. 
104 

7.4.2. Построение блоков ОЗУ …………………………………. 
106 

Список литературы …………………………………………………………… 
107 

 

Введение
5 

 
 

Введение

 
Электронная вычислительная техника – сравнительно мо
лодое научно-техническое направление, но оказывает самое 
революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Электронная вычислительная техника постоянно развивается и совершенствуется. 
Наряду со структурной эволюцией ЭВМ характерно постоянное 
развитие их элементной базы, которая получила название схемотехники ЭВМ. Ступени развития схемотехники ЭВМ и определили поколения ЭВМ. 

Первой работающей универсальной автоматически управ
ляемой вычислительной машиной стала релейно-механическая 
машина «Марк-1» (США, 1944 г.). Надежность работы электромагнитных реле не оправдала надежды создателей «Марк-1». 
Они так часто требовали чистки контактов и настройки, что 
простои машины составили большую часть времени эксплуатации. Столь же низкая надежность оказалась и у следующей машины «Марк-2», построенной на реле улучшенной конструкции. 

Проект первой электронно-вычислительной машины ЭНИАК 

был разработан Дж. Маучли (США, 1942 г.), вступила машина 
в строй в 1946 г. В этой машине было использовано 18000 электронных ламп и 41500 электромеханических реле. Применение 
электронных ламп позволило повысить скорость выполнения 
операций, по сравнению с «Марк-1», приблизительно в 1000 раз. 
Повысилась и надежность вычислительной машины. 

Электронные лампы стали элементной базой машин пер
вого поколения. Основная электронная схема этих ЭВМ – симметричный триггер – был создан в 1918 г. советским ученым 
М. А. Бонч-Бруевичем. В 1919 г. аналогичная схема была независимо разработана американскими учеными Икклзом и Джорданом. 

Первые проекты отечественных ЭВМ были предложены 

С. А. Лебедевым и Б. И. Рамеевым в 1948 г. В 1949–1951 гг. 

 

Схемотехническое построение элементов ЭВМ
6 

по проекту С. А. Лебедева была построена МЭСМ (Малая электронно-счетная машина). К отечественным ЭВМ первого поколения относится и БЭСМ-1 (Большая электронно-счетная машина), разработка которой под руководством С. А. Лебедева 
была закончена в 1952 г. В то время это была одна из лучших 
серийно выпускаемых машин в мире. Она содержала 5000 ламп, 
время ее работы без сбоев в течение 10 и более часов составляло до 70 % полезного времени работы машины. Быстродействие достигало 10 тыс. операций в секунду. 

Почти одновременно с созданием БЭСМ-1 под руководст
вом Ю. А. Базилевского велось проектирование ЭВМ, получившей название «Стрела». В 1953 г. ЭВМ «Стрела» была запущена 
в серийное производство. 

Несколько позже появилась машина «Урал-1», положившая 

начало большой серии машин «Урал», разработанных и внедренных в производство под руководством Б. И. Рамеева. В 1958 г. 
была разработана и запущена в серийное производство наиболее совершенная ЭВМ первого поколения – М-20. Она имела 
быстродействие до 20 тыс. операций в секунду. 

С появлением транзисторов в середине 1950-х гг. на смену 

первому поколению ЭВМ (ламповым вычислительным машинам) 
пришли ЭВМ второго поколения, построенные на полупроводниковых приборах. Полупроводниковая схемотехника позволила 
создать новые элементы вычислительных машин, с меньшей 
мощностью потребления, превосходящие ламповые элементы 
по быстродействию и, что еще более важно, по надежности. 

В нашей стране были созданы полупроводниковые ЭВМ 

различных назначений: малые ЭВМ серии «Наири» и «Мир», 
средние ЭВМ со скоростью работы 5–30 тыс. операций с секунду – «Минск-22», «Минск-32», «Раздан-2», «Раздан-3», БЭСМ-3, 
М-220 – и лучшая из машин второго поколения – БЭСМ-6 
со скоростью работы до 1 млн операций в секунду. Почти 
для всех этих машин было свойственно применение индивидуальных систем элементов. 

Введение
7 

В конце 1950-х гг. во всех странах мира, производящих ра
диоэлектронную аппаратуру, начались работы по миниатюризации элементов и аппаратуры в целом. Первоначально работы 
по микроминиатюризации развивались в направлении уменьшения электронных компонентов и усовершенствования методов сборки элементов из дискретных деталей. Значительным успехом было создание микромодульных конструкций 
и механизированных методов их сборки из микрокомпонентов 
специального вида. При этом по сравнению с обычными конструкциями плотность компоновки возросла в 5–8 раз. 

Однако надежность микромодульных компонентов повы
силась незначительно, а стоимость элементов осталась почти на прежнем уровне, так как метод уплотненного монтажа 
микрокомпонентами не уменьшал ни их количества в аппаратуре, ни числа соединений между ними. 

В начале 1960-х гг. возникло новое направление в элек
тронике – интегральная электроника, занимающаяся созданием функциональных элементов радиоэлектронной аппаратуры 
в виде интегральных схем с использованием общих технологических методов для изготовления всех электронных компонентов и схем в целом. 

Использование интегральных микросхем в качестве элемен
тов ЭВМ оказалось весьма успешным. При этом уменьшились 
не только масса и габаритные размеры машины, но и улучшились все остальные их параметры: надежность, быстродействие, стоимость и т. д. Использование интегральных схем 
при построении ЭВМ имело революционное значение для вычислительной техники и способствовало появлению машин 
третьего поколения. 

С 1972 г. начался выпуск моделей первой очереди (ряд 1): 

ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1033, ЕС-1040, ЕС-1050, 
ЕС-1052; позднее – второй очереди (ряд 2): ЕС-1015, ЕС-1025, 
ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1060, ЕС-1065. Модели второй 
очереди отличались от моделей первой более совершенной схе

Схемотехническое построение элементов ЭВМ
8 

мотехнической и конструктивно-технологической базой, за счет 
чего у них повысилась производительность и расширились функциональные возможности. Наряду с машинами серии ЕС ЭВМ 
в СССР в это время выпускались и другие ЭВМ третьего поколения. 

Одна из характерных особенностей ЭВМ четвертого поко
ления – переход от интеграции функциональных схем к интеграции подсистем ЭВМ. Объективное стремление получить все 
более высокие качественные показатели интегральных схем: высокую надежность, большее быстродействие и меньшую стоимость – обусловливает непрерывное повышение уровня интеграции. Подсчитано, только широкое внедрение больших интегральных схем в конструкции ЭВМ повысит их надежность 
не менее, чем в 10 раз. 

В настоящее время стоит задача создания схем, содержа
щих на одном кристалле 1 млн и более логических элементов, 
при этом при производстве микросхем столь высокого уровня интеграции объединяются задачи их проектирования с задачами их применения. Другое направление схемотехники ЭВМ – 
изучение возможности создания и разработки элементов и схем 
с использованием новых физических явлений в твердом теле, 
не свойственных транзисторным структурам (молекулярная 
электроника), внедрение в вычислительную технику достижений оптоэлектроники и криотронной техники. 

Из отечественных ЭВМ к машинам четвертого поколения 

относятся ЭВМ «Эльбрус», микроЭВМ «Электроника-60», микроЭВМ серии НЦ. 

В таблице отражена связь между основными параметрами 

схемотехники поколений ЭВМ. В этой таблице быстродействие ЭВМ характеризуется задержкой распространения сигнала, вносимой одним элементом. Вторым после быстродействия важнейшим показателем является плотность установки, 
т. е. количество единиц элементов, приходящихся на 1 см3, 
что также отражено в таблице. 

В настоящее время ведутся интенсивные разработки ЭВМ 

5-го поколения, которые отличаются сверхвысокой произво

Введение
9 

дительностью, расширенными возможностями ввода и вывода 
информации в звуковой (человеческая речь) и графической 
(рисунки, письменный текст) форме, рядом признаков искусcтвенного интеллекта, способностью составлять программу своих действий для решения определенных классов задач, находить оптимальные решения в сложных ситуациях и др. 
Эти ЭВМ будут реализованы на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС) с применением новых материалов (арсенид галлия, сверхпроводящая керамика), широким использованием новых принципов и способов представления и обработки информации (оптические, акустоэлектрические и др.). 

 

Основные параметры поколений ЭВМ

 

 
Поколения ЭВМ 

Признак, 
параметр ЭВМ 

Первое, 
1946 –
1955 гг. 

Второе, 
1955 –
1965 гг. 

Третье, 
1965 –
1970 гг. 

После 
1970 г. 

Четвертое, 
после 
1980 г. 

Основные 
элементы 

Реле, 
электронные 
лампы 

Полупроводниковые 
приборы 

Интегральные 
схемы 
(ИС) 

Большие 
интегральные схемы 
(БИС) 

Сверхбольшие интегральные 
схемы 
(СБИС) 

Быстродействие 
(задержка 
элемента 
или схемы) 

 
 
 

1 мс 

 
 
 

1 мкс 

 
 
 

10 нс 

 
 
 

1 нс 

 
 
 

<1 нс 

Плотность 
установки, 
элементов, см3 

 
 

0,1 

 
 

2–3 

 
 

10 –20 

 
 

1000 

 
 

>10000 

 
Создание современных ЭВМ немыслимо без микроэлек
троники, одной из наиболее быстро развивающихся областей 
науки и техники. Микроэлектроникой называется область ра