Современный этап развития научно-технического прогресса характеризуется широким применением электроники и микроэлектроники во всех сферах жизни и деятельности человека. Важную роль при этом сыграло появление и быстрое совершенствование интегральных микросхем - основной элементной базы современной электроники. Цифровые интегральные микросхемы применяются в вычислительных машинах и комплексах, в электронных устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах, аппаратуре связи и передачи данных, медицинской и бытовой аппаратуре, в приборах и оборудовании для научных исследований и т.д.

В настоящее время сведения о цифровых интегральных схемах необходимы не только специалистам по радиоэлектронике, но и радиолюбителям.

Цифровая обработка данных с помощью автоматических устройств является результатом технического прогресса не только последних десятилетий. Еще в средние века были созданы примитивные по современным понятиям решающие устройства, которые могли выполнять такие несложные вычислительные действия, как сложение и вычитание. Эти вычислительные машины, работавшие на чисто механическом принципе, были столь велики по размерам и дороги, что, конечно же, тогда не могло быть и речи о той популярности, которой пользуются, например, современные карманные калькуляторы.

Эти машины предназначались для исследовательских целей и ими пользовались в основном их изобретатели. Впрочем, это не означало, что подобные научные разработки были совершенно бесполезными. Они обогащали науку в целом и, конечно, давали определенный вклад в развитие технологии изготовления серийных машин и автоматов в течение последующих веков, в особенности в XIX в. Проблему создания электронных вычислительных машин и автоматов стали широко обсуждать впервые после изобретения радиоламп в начале XX в. В эти годы были созданы различные схемы, которые впоследствии применялись в качестве базовых элементов цифровых схем. Здесь имеются в виду различные генераторы (типа мультивибраторов), а также логические схемы, реализующие функции И, ИЛИ и НЕ (обращения, инверсии), и усилители считывания для магнитных запоминающих устройств (ЗУ). Перед второй мировой войной впервые была сделана попытка создать полномасштабную электронную вычислительную машину (ЭВМ), в которой использовались радиолампы, селеновые диоды и магнитные запоминающие элементы для регистров и ЗУ.

В Голландии развитие вычислительной техники началось после второй мировой войны. Работы в области создания ЭВМ были начаты почти одновременно в Математическом центре в Амстердаме, в лаборатории РТТ в Лейдшендаме (д-ром Нехерлабом) и в Национальной лаборатории Филипса в Эйндховене.

Как известно, первая ЭВМ, созданная в Математическом центре, была собрана из релейных элементов. Конструкция машины была признана неудачной из-за постоянных сбоев, возникающих в результате загрязнения контактов реле. Уже в начале 50-х годов были разработаны электронные машины, которые имели лучшие характеристики. Первые ЭВМ назывались ARRA (аббревиатура от словосочетания Automatische Relais Rekenmachine Amsterdam), т.е. назывались так же, как и предыдущие машины, которые, как уже говорилось выше, были собраны исключительно из релейных элементов.

Для новых ЭВМ из-за интенсивного тепловыделения многочисленных радиоламп потребовалась эффективная система охлаждения с большими вентиляторами, смонтированными внутри корпуса ЭВМ. Вентильные схемы ARRA собирались из селеновых диодов и радиоламп (двойных триодов), а в качестве запоминающих элементов регистров применялись магнитные кольцевые сердечники. Для хранения команд и других данных использовались барабанные ЗУ. Ввод информации осуществлялся с помощью устройства собственного изготовления для считывания перфолент, а вывод информации - с помощью модифицированной электрической пишущей машинки.

Из-за низкого качества селеновых диодов и относительно быстрого старения радиоламп эту ЭВМ вряд ли можно было рассматривать как высококачественное изделие, пригодное для крупномасштабного производства. Тем не менее, ARRA в течение ряда лет использовалась для решения научно-исследовательских задач.

В конце 1957 г. была создана ЭВМ X1, разработанная в Математическом центре и выполненная полностью на транзисторах. Эта ЭВМ впоследствии была запущена в массовое производство существовавшей в то время фирмой N. V. Electrologica (г. Рейсвейк).

В ЭВМ X1, которая была значительно меньше по размерам, чем ламповые ЭВМ, логические элементы, такие, как схемы И, ИЛИ и обращения (инверсии), были собраны из дискретных компонентов, смонтированных на печатной плате. Эта плата, снабженная периферийными контактами с покрытием из тонкого слоя золота, собиралась в виде единого модуля. На одной плате располагались две схемы И-НЕ с тремя входами на каждую, которые были изготовлены из ДТЛ-элементов. Соединения между модулями, необходимые для реализации требуемых вычислительных функций, выполнялись с помощью проводников ЭВМ.

Монтаж ЭВМ, состоящей из дискретных компонентов и проволочных соединений, оказался очень трудоемким процессом, что привело к существенному удорожанию подобных систем. Изменение элементной базы произошло в середине 60-х годов" когда на рынке появились интегральные схемы (ИС) первоначально с небольшой плотностью расположения элементов, например по четыре схемы типа И-НЕ на одном кристалле, а затем и с более высокой плотностью, что позволило реализовать более сложные функции. Под более сложными мы понимаем функции, реализуемые в схемах селекторов, мультиплексоров, демультиплексоров, сумматоров, декадных и шестнадцатеричных счетчиков и других устройств.

Благодаря высокой степени интеграции (несколько десятков-схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ на одном кристалле) стоимость цифровых схем существенно снизилась. Кроме того, совершенствование технологии изготовления привело к росту производства ИС. Указанные факторы повлияли на стоимость ЭВМ, тем более что за счет меньших размеров модулей на одной плате стало возможным разместить большее число ИС. Небольшие по размерам вставные модули типа использованных в ЭВМ XI были заменены одной большой платой с десятками ИС. Такие платы затем соединяются с другими платами.

Взаимные соединения между отдельными платами, осуществляемые с помощью разъемов, первоначально производились в стойках с применением монтажа накруткой или стежковой сваркой, однако в дальнейшем от этой технологии отказались, чтобы освободить место для печатного монтажа на обратной стороне платы.

В середине 60-х годов был достигнут большой прогресс в разработке МОП-транзистора - элемента с ничтожно малым тепловыделением и простой конструкцией. Эти факторы позволили изготовить ИС с еще более высокой плотностью расположения элементов, что, в свою очередь, привело к сборке целого процессора (т.е. основы ЭВМ) на одном кристалле небольших размеров.

В начале 70-х годов фирме Intel (США) удалось разработать микропроцессор (Р), хотя вначале его набор команд и разрядность шины данных были небольшими. За первым микропроцессором типа 4004 вскоре был создан микропроцессор типа 8008 с 8-разрядной шиной передачи данных, а затем - микропроцессор 8080 с более совершенной системой команд.

В настоящее время разрабатываются микропроцессоры с 16-разрядными шинами передачи данных (1 бит-1 двоичному числу) и с еще большим набором команд.

Одновременно с созданием микропроцессоров разрабатывались полупроводниковые ЗУ на МОП-транзисторах, поэтому в настоящее время уже на одной плате можно разместить целый компьютер. Цена такого компьютера составляет от сотни до нескольких тысяч долларов, а зависимости от объема ЗУ и состава системы внешних устройств для ввода данных и вывода на магнитную ленту.

С появлением микропроцессоров область применения ЭВМ существенно расширилась. Если вначале компьютеры применялись только в научно-исследовательской работе и АСУ, то сегодня их можно встретить и в швейных машинках, бензоколонках и в кассовых аппаратах. Можно назвать также персональные компьютеры, которые используются не только любителями разнообразных хобби, но и профессионалами, занимающимися разработкой проектов автоматизации систем распределения газа, электричества и воды и других систем управления процессами.

Несмотря на интенсивную разработку микропроцессоров потребность в схемах на ТТЛ - и КМОП-элементах с относительно невысокой степенью интеграции остается, как и прежде, большой. Это связано с тем, что такие элементы обеспечивают большую гибкость при разработке логических схем, предназначенных для применений, в которых важную роль играют скорость переключения, небольшие размеры и небольшая стоимость.

код память цифровая микросхема

1. Постановка задачи