Создание первых компьютеров

Создание первых компьютеров

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Общие сведенья о счетчиках

2. Специальная часть

2.1 Условно-графическое обозначение

2.2 Основные характеристики

2.3 Методика выбора базового логического элемента

2.4 Выбор базового логического элемента

Введение

В 1812 году английский математик и экономист Чарльз Бэббидж начал работу над созданием, так называемой "разностной" машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметические действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.

В 1834 году Бэббидж приступил к созданию "аналитической" машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел ("склад"), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его "фабрикой") и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники.

В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа "Очерк об аналитической машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем", переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж.Г. Байрона - леди Адой Лавлейс. При содействии Бэббиджа Ада Лавлейс составляла первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире женщиной-программистом.

компьютер микросхема счетчик импульс

После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина - табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров.

Новый инструмент - ЭВМ - служит человеку пока лишь чуть больше полвека. ЭВМ - одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса. Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с "плавающей" запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5.К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого "исчисление планов"), который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.

Независимо от Цузе построением релейных автоматических вычислительных машин занимались в США Д. Штибитц и Г. Айкен.

Д. Штибитц, тогда работавший в фирме Bell, собрал на телефонных реле первые суммирующие схемы. В 1940 году вместе с С. Уильямсом Штибитц построил "вычислитель комплексных чисел", или релейный интерпретатор, который последствии стал известен как специализированный релейный компьютер "Bell-модель 1". В этом же году машина демонстрировалась на заседании Американского математического общества, где были проведены её первый промышленные испытания. В последующие годы были созданы ещё четыре модели этой машины. Последняя из них разработана Штибитцем в 1946 году (модель V) - это был компьютер общего назначения, содержащий 9000 реле и занимающий площадь почти 90 м², вес устройства составлял 10 т.

Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной "Марк-1", началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой автоматизации решения больших систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными.

Память машины была энергоёмкая - использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершен, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут.

В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект "Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений", положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела "впечатляющие" параметры: 18000 электронных ламп, площадь 90 × 15 м², весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение - за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте Блетчли-Парк работал первый программируемый ЭВМ "Колосс", но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных.

С точки зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, Члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон Неймана (1903-1957). Эти идеи были изложены в статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства", написанная вмести с А. Берксом и Г. Голдстайном и опубликованная в 1946 году.

Вот как представлял фон Нейман свою ЭВМ:

§   Машина должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы машина не зависела от оператора.

§   Она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие программой, которая должна проводить операции над числами.

§   ЭВМ должна различать числовой код команды от числового кода числа.

§   У машины должен быть управляющий орган для выполнения команд, хранящихся в памяти.

§   В ней также должен быть арифметический орган для выполнения арифметических действий.

§   И, наконец, в её состав должен входить орган ввода-вывода.

В 1945 г. Англия приступила к созданию первой машины с неймовским типом памяти. Работа была возглавлена Т. Килбрном из Манчестерского университета и Ф. Вильямсем из Кембриджского. Уже 21 июня 1948 года Т. Килбрн и Ф. Вильямс просчитали первую программу на ЭВМ "Марк-1" (одинаковое название с машиной Айкена).

Другая группа во главе с М. Уилксом 6 мая 1949 года произвела первые расчёты машине того же типа - EDSAC.

Вскоре были построены ещё машины EDVAC (1950 г.), BINAC и SEAC.

В ноябре месяце того же года в Киевской лаборатории моделирования и вычислительной техники Института электротехники АН УССР под руководством академика С.А. Лебедева была создана первая советская ЭВМ - МЭСМ.

1. Общая часть

1.1 Общие сведенья о счетчиках

Счётчик числа импульсов - устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на T-триггерах. Основной параметр счётчика - модуль счёта - максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ.

Счётчики классифицируют:

по числу устойчивых состояний триггеров;

на двоичных триггерах;

на троичных триггерах;

на n-ичных триггерах;

по модулю счёта:

двоично-десятичные (декада);

двоичные;

с произвольным постоянным модулем счёта;

с переменным модулем счёта;

по направлению счёта:

суммирующие;

вычитающие;

реверсивные;

по способу формирования внутренних связей:

с последовательным переносом;

с параллельным переносом;

с комбинированным переносом;

кольцевые;

по способу переключения триггера:

синхронные;

асинхронные;

Двоичные счетчики

Схему двоичного счетчика можно получить с помощью формального синтеза, однако более наглядным путем представляется эвристический. Таблица истинности двоичного счетчика - последовательность двоичных чисел от нуля до 2n − 1, где n - разрядность счётчика. Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приводит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика. Состояния младшего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы показывают чередование нулей и единиц вида 01010101., что естественно, т.к. младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каждого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последовательность пар нулей и единиц вида 00110011. В третьем разряде образуется последовательность из четверок нулей и единиц 00001111. и т.д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключается с частотой, в два раза меньшей, чем данный. Известно, что счетный триггер делит частоту входных импульсов на два., Сопоставив этот факт с указанной выше закономерностью, видим, что счетчик может быть, построен в виде цепочки последовательно включенных счетных триггеров. Заметим, кстати, что согласно ГОСТу входы элементов изображаются слева, а выходы справа. Соблюдение этого правила ведет к тому, что в числе, содержащемся в счетчике, младшие разряды расположены левее старших.

Двоичные счетчики с параллельным переносом

Выше рассмотрены схемы двоичных последовательных счетчиков, то есть таких счетчиков, в которых при изменении состояния определенного триггера возбуждается последующий триггер, причем триггеры меняют свои состояния не одновременно, а последовательно. Если в данной ситуации должны изменить свои состояния n триггеров, то для завершения этого процесса потребуется n интервалов времени, соответствующих времени изменения состояния каждого из триггеров. Такой последовательный характер работы является причиной двух недостатков последовательного счетчика: меньшая скорость счета по сравнению с параллельными счетчиками и возможность появления ложных сигналов на выходе схемы. В параллельных счетчиках синхронизирующие сигналы поступают на все триггеры одновременно. Последовательный характер переходов триггеров счетчика является источником мощных сигналов на его выходах. Например, в счетчике, ведущем счет в четырехразрядном двоичном коде с “весами" 8-4-2-1, при переходе от числа 710 = 01112 к числу 810 = 10002 на выходе появится следующая последовательность сигналов: 0111 0110 0100 0000 1000 Это означает, что при переходе из состояния 7 в состояние 8 на входах счетчика на короткое время появятся состояния 6; 4; 0. Эти дополнительные состояния могут вызвать ложную работу других устройств. С целью уменьшения времени протекания переходных процессов можно реализовать счетчик в варианте с подачей входных импульсов одновременно на все триггеры. В этом случае получим счетчик с параллельным переносом. Здесь на информационные входы триггеров подаются сигналы, являющиеся логической функцией состояния счетчика и определяющие конкретные триггеры, которые изменяют свое состояние при данном входном импульсе. Принцип стробирования сводится к следующему: триггер меняет свое состояние при пропускании очередного импульса синхронизации, если все предыдущие триггеры находились в состоянии логической единицы. Параллельные счетчики имеют более высокое быстродействие по сравнению с последовательными, поскольку синхронизирующие импульсы поступают на все триггеры одновременно. Максимальным быстродействием обладают синхронные счетчики с параллельным переносом, структуру которых найдем эвристически, рассмотрев процессы прибавления единицы к двоичным числам и вычитания ее из них.

Счетчики с последовательно-параллельным переносом.

В связи с ограничениями на построение счетчиков с параллельным переносом большой разрядности широкое распространение получили счетчики с групповой структурой, или счетчики с последовательнопараллельным переносом. Разряды таких счетчиков разбиваются на группы, внутри которых организуется принцип параллельного переноса. Сами же группы соединяются последовательно с использованием конъюнкторов, формирующих перенос в следующую группу при единичном состоянии всех триггеров предыдущих. При единичном состоянии всех триггеров группы приход очередного входного сигнала создаст перенос из этой группы. Эта ситуация подготавливает межгрупповой конъюнктор к прямому пропусканию входного сигнала на следующую группу.

В наихудшем для быстродействия случае, когда перенос проходит через все группы и поступает на вход последней,

В развитых сериях ИС обычно имеется по 5…10 вариантов двоичных счетчиков, выполненных в виде 4-х разрядных групп (секций). Каскадирование секций может выполняться путем их последовательного включения по цепям переноса, организации параллельно-последовательных переносов или для более сложных счетчиков с двумя дополнительными управляющими входами разрешения счета и разрешения переноса путем организации параллельных переносов и в группах и между ними. Особенностью двоичных счетчиков синхронного типа является наличие ситуаций с одновременным переключением всех его разрядов (например, для суммирующего счетчика при переходе от кодовой комбинации 11…1 к комбинации 00…0 при переполнении счетчика и выработке сигнала переноса). Одновременное переключение многих триггеров создает значительный токовый импульс в цепях питания ЦУ и может привести к сбою в их работе. Поэтому в руководящих материалах по использованию некоторых БИС/СБИС программируемой логики, в частности, имеется ограничение на разрядность двоичных счетчиков заданной величиной k (например, 16). При необходимости применения счетчика большей разрядности рекомендуется переходить к коду Грея, для которого переходы от одной кодовой комбинации к другой сопровождаются переключением всего одного, разряда. Правда, для получения результата счета в двоичном кода придется использовать дополнительно преобразователь кода, но это является платой, за избавление от токовых импульсов большой интенсивности в цепях питания.

2. Специальная часть

2.1 Условно-графическое обозначение

Микросхемы представляют собой десятичный счетчик дет литель. Содержат 194 интегральных элемента. Корпус типа 238.16-1, масса не более 1,5 г и 4307.16-А.

Условно-графическое обозначение микросхемы К561ИЕ8

Рис.1

Назначение выводов; 1 - выход 5; 2 - выход 1; 3-выход 0; 4 - выход 2; 5-выход 6; 6 - выход 7; 7 - выход 3; 8-общий; 9 - выход 8; 10-выход 4; 11 - выход 9; 12-выход переноса Р, 13 - тактовый вход С2; 14-тактовый. входС1; 15-вход. установки. нуля. R; 16-напряжение. питания.

Рис.2. Структурная схема узла.

На каждом выходе дешифратора высокий уровень появляется только на период тактового импульса с соответствующим номером. Счетчик имеет выход переноса Свых. Положительный фронт выходного сигнала переноса появляется через десять периодов тактовой последовательности и используется поэтому как тактовый сигнал для счетчика следующей декады. Максимальная тактовая частота 2 МГц. Длительность импульса запрета счета должна превышать 300 нс, длительность тактового импульса не должна быть меньшей, чем 250 нс, а сброса - 275 нс.

В схеме применения счетчика К561ИЕ8 с укороченным циклом от выхода N, где 2 < N < 9, импульс подается на сброс RS-триггера (используются ключи DD2.3 и DD2.4 дополнительной микросхемы К561ЛЕ5). Если N = 6, то счетчик ИЕ8 будет работать как делитель на 6, что необходимо для устройства отсчета секунд и минут для часов. Выходной сигнал с частотой fвых =fвх/N появляется на выходе переноса и используется для запуска следующего каскада. Дополнительный RS-триггер запускается при совпадении тактового импульса fвх, и импульса нулевого отсчета от К561ИЕ8.

Если выбрано N<6, то на выходе переноса не сможет выделиться положительный фронт (см. рис.3 диаграмму). В этом случае в качестве сигнала переноса (такт следующему счетчику) используйте импульс от выхода Q0. Счетчик ИЕ8 - одна из наиболее популярных КМОП-микросхем.

Рис.3

Многокаскадная схема асинхронная, хотя кажды из счетчиков ИЕ8 и ИЕ9 - синхронные.

Длительность тактового импульса должна превышать 250 нс, поэтому максимальная тактовая частота - 2 МГц. При напряжении питания 15 В требуется обеспечить длительность импульса сброса более 300 нс, время его последействия составляет 275 нс. При напряжении питания Uи. п. = 5 В оно окажется равным 1 мкс. Схема симметричного деления интервалов на число 2<N<8 строится аналогично схеме для ИЕ8.

Рис.4

2.2 Основные характеристики

Электрические параметры счетчика К561ИЕ8:

·        Выходное напряжение низкого уровня при воздействии помехи при Un=10В U⁰_вых, В. <1

·        Выходное напряжение высокого уровня при воздействии помехи при Un=10В U¹_вых, В. >9

·        Ток потребления при Un=15В, I_п, мкА  <20

·        Входной ток низкого (высокого) уровня при Un=15В I⁰_вх, мкА <0,3

·        Выходной ток низкого (высокого) уровня при Un=10В I¹_вх, мкА >0,35

·        Максимальная тактовая частота при Un=10В f_{т. с.,} МГц >3

·        Напряжение питания Uнп,B 3.15

2.3 Методика выбора базового логического элемента

Основой базового выбора базового логического элемента метод семантической совместимости. Согласно данному методу между моделями объектов SO₁ и SO₂ устанавливается семантическая совместимость по множеству аспектов. Последние отображают семантическую и признаковую части моделей объектов и характеризуют их свойства и отношения. В том случае, если их совместимость по аспектам имеет место принимается позитивное решение относительно пригодности данного объекта для другого, в противном случае негативное.

Базовый логический элемент какой - либо серии является основой всех других элементов данной серии. Базовый элемент какой - либо серии является основой всех других элементов данной серии.

Базовый элемент каждой серии характеризуется множество параметров.

Считаем, что пользователю известно множество серий из числа, которых ему необходимо выбрать базовый элемент.

Обозначим базовый элемент, который необходим пользователю, именем БЭП, а серии содержащие свои базовые элементы, именами С_1, С_2,…., С_R. Присвоим параметры базовых элементов различных серий имена А₁, А₂… Аn. В качестве параметров могут быть использованы множество электрических эксплуатационных экономических параметров и т.д. Аналогично имена параметров имеет и базовый элемент требуемый пользователю. Составим таблицу 1.

Таблица 1

Рассмотрим два алгоритма обработки, обеспечивающие проверку на совместимость параметров БЭП и базовых элементов серий.

Поскольку пользователю заранее не известны точные значения ряда выбираемых параметров БЭП, он в качестве исходных данных может задать диапазоны значений этих параметров. Параметры базовых элементов серий известны из справочников литературы или технической документации.

Алгоритм 1.

Сопоставим первый параметр А₁ базового элемента серии С₁ с диапазоном значений первого параметра А₁ БЭП. Если при этом имеет место совместимость, то принимаем позитивное решение (фиксируем в виде 1). Если совместимости нет, то принимаем негативное решение (фиксируем в виде 0). Затем первый параметр А₁ серии С₂ сопоставляем с первым параметром А₁ БЭП и также оцениваем, как и в первом случае, и т.д. Далее берем второй параметр А₂ базового элемента серии С₁ и сопоставляем с диапазоном значений второго параметра А₂ БЭП.

Процедуры сопоставления и принятия решений повторяем и т.д.

В результате выполнения данного алгоритма заполняется единицами и нулями табл.3.6 по параметрам А₁-А_n для БЭП и базовых элементов каждой серии С₁-С_R.

На основании анализа табл. можно видеть, удовлетворяются или нет пожелания пользователя по параметрам БЭП и параметрам базовых элементов серий.

Алгоритм 2.

На основании табл.1 применительно к каждому столбцу С₁выполняем формально операцию логического умножения.

При этом имеем

С_i =

, если А ^ А^…^ А =0;

После выполнения указанных операций по столбцам строим таблицу 2

Таблица 2

Из анализа таблицы 2 следует, что только базовый элемент серии С₂ удовлетворяет по параметрам БЭП.

В том случае, если выбранными окажутся базовые элементы нескольких серий, то пользователь уточняет требования к БЭП и оставляет только ту серию, которая его полностью удовлетворяет.

2.4 Выбор базового логического элемента

Выберу БЭП из серии КМОП. В качестве параметров использую только электрические. В качестве исходных данных параметров БЭП задам следующие:

·        Выходное напряжение низкого уровня при воздействии помехи при Un=10В U⁰_вых, В. <1

·        Выходное напряжение высокого уровня при воздействии помехи при Un=10В U¹_вых, В. >9

·        Ток потребления при Un=15В, I_п, мкА <20

·        Входной ток низкого (высокого) уровня при Un=15В I⁰_вх, мкА <0,3

·        Выходной ток низкого (высокого) уровня при Un=10В I¹_вх, мкА >0,35

·        Максимальная тактовая частота при Un=10В f_{т. с.,} МГц >3

·        Напряжение питания Uнп,B 3.15

Использую серии элементов КМОП. На основе приведенного строю таблицу 3.

Таблица 3

В соответствии с алгоритмом 2 на основании таблицы 3 строю таблицу 4

Таблица 4

Проанализировав табл.4 следует, что только параметры базовых элементов серии К561 удовлетворяют параметрам БЭП. Поэтому я выбираю эту серию для работ.