1-ma’ruza. Raqamli texnikaning tarixi va rivojlanishi, raqamli elektronikaning asosiy tamoyillari va afzalliklari Reja: 1. Fanning vazifasi va mazmuni. 2. Kompyuter sxemotexnikasi asosi rivojining qisqacha tarixi. 3. Kompyuter elementlarining turkumlanishi. 4. Axborotni fizik signallar orqali ifodalanishi. Tayanch iboralar: kompyuter, qurilma, elementlar, uzel, elektroradiokomponentlar, kompyuter tizimi (KT), kompyuterning element asoslari, kompyuter avlodlari, integral sxema (IS), katta integral sxema (BIS), o’ta katta integral sxemalar (SBIS), potentsial, impuls, parallel kod, ketma-ket kod. 1. Zamonaviy kompyuterlar va kompyuter tizimlari va tarmoqlari "Elektronika va raqamli texnika" fanida o’rganiladigan namunaviy elektron sxemalarda quriladi. "Elektronika va raqamli texnika" fanining vazifasi zamonaviy kompyuter, kompyuter tizimlari va tarmoqlarining sxemotexnik asosini o’rganishdan iborat. Fanning o’rganish natijasida talabalar: • zamonaviy kompyuter, kompyuter tizimlari va tarmoqlari asosini tashkil etuvchi integral sxemalar majmualarini, xarakteristikalarini va funktsional vazifalarini bilishlari; • integral sxemalar asosida kombinatsion va tadrijiy (xotirali) sxemalarni qura olishlari; • katta integral sxemalar asosida qurilmalarni qurishning asosiy usullarini bilishlari; • integral sxemalar asosida yaratilgan qurilma parametrlarini o’lchash, ularni sozlash va sinash ko’nikmalariga ega bo’lishlari shart. Ma’lumki, har qanday kompyuter va kompyuter tizimi axborotni qabul qiluvchi, vaqtincha saqlovchi, axborotga ishlov beruvchi va iste’molchiga taqdim etuvchi qurilmalardan (protsessor, xotira, kiritish-chiqarish qurilmalari) iborat. Qurilmalar namunaviy uzellar (registrlar, sanagichlar, jamlagichlar, deshifratorlar va h.) asosida quriladi. Namunaviy uzellar esa elementlardan (mantiqiy va tadrijiy elementlar) tashkil topadi. Elementlar elektroradiokomponentlar (rezistor, kondensator, diod, tranzistor va h.) asosida quriladi va kompyuterning element asosini tashkil etadi (1.1-rasm). 2. Ishlatiladigan element asosining komponentlari bo’yicha, kompyuter avlodlariga o’xshash kompyuter sxemotexnikasi rivojining to’rtta asosiy avlodini ajratish mumkin. Birinchi avlod (1904 - 1950 y.y.) kompyuter sxemotexnikasi element asosini elektr vakuum va gazorazryad asboblar tashkil etar edi. Unga elektron lampa, elektron vakuum trubkalar, gazorazryad indikatorlar va h. mansub. Ikkinchi avlod (1950 - 1960 yillarning boshlari) kompyuter sxemotexnikasi diskret yarimo’tkazgich asboblar (diodlar, tranzistorlar, tiristorlar va h.) ishlatilishi bilan xarakterlanadi. Uchinchi avlod (1960 - 1980 y.y.) kompyuter sxemotexnikasi mikroelektronikaning baravar rivoji va integratsiya darajasi turli integral sxemalarning hamda mikroqotishmalarning yaratilishi bilan bog’liq. Bu bosqichda elementlar ishonchliligi oshdi, o’lchamlari, massasi, energiya iste’moli kamaydi. To’rtinchi avlod (1980 yildan to hozirgi vaqtgacha) kompyuter sxemotexnikasi mikrominiatyurizatsiyalash, katta va o’ta katta integral sxemalar ishlatilishi bilan bog’liq. Element asosining komponentlari, ularning parametrlari va kompyuter avlodlari orasidagi bog’lanishni jadval orqali tasavvur etish mumkin (1.1 -jadval). Kompyuter tizimi (tarmoq) Kompyuter Qurilmalar Uzellar Elementlar Radio komponentlar 1.1-rasm. Hisoblash tizimlarining ierarxik tuzilmasi. 3. Signallarni shakllantirish va uzatish usullari bo’yicha kompyuter elementlari ikkita sinfga bo’linadi: analog va diskret. O’z navbatida diskret elementlar impulsli va raqamli elementlarga bo’linadi. 1.1 -jadval Avlodlar Parametrlar Asosiy komponentlar Tezkorlik vaqt/element Elementlarni yig’ish zichligi el. Soni/sm3 I II 1946-1955 y.y. 1955-1965 y.y. III 1965-70 y.y. 1970-80 y.y. IV 1980 yildan IS BIS, KIS SBIS UKIS 1 ms 10–3 sek Yarim o’tkazgichli asboblari 1 mks 10–6 sek 10 ns 10–8 sek 1 ns 10–9 sek <1 ns <10–6 sek 0,1 2-3 10-20 1000 > 10 000 Elektromexanik rele, elektron lampa Analog elementlar uzluksiz (analog) funktsiya qonuniyati bo’yicha o’zgaruvchi signallarni qabul qilish, o’zgartirish va uzatish uchun mo’ljallangan. Analog sxemotexnikasi soddaligi, tezkorligi, bilan ajralib tursada, tashqi omillar, masalan harorat, namlik, vaqt va h. ta’sirida parametrlarining beqarorligi sodir bo’ladi. Diskret elementlar diskret shaklda ifodalangan signallarni qabul qilish, o’zgartirish va uzatish uchun mo’ljallangan. Bunday elementlar xalaqitlarga bardoshligi, katta bo’lmagan energiya iste’moli va narxi pastligi bilan ajralib turadi. Impulsli elementlar signallar ketma-ketligini shakllantiradi. Analog axborotni impulslar ketma-ketligiga o’zgartirish jarayoni impuls modulyatsiyalash deb ataladi. Raqamli elementlarda signalni kodlash amalga oshiriladi, ya’ni u bir xil impulslarning ma’lum ketma-ketligiga o’zgartiriladi. Raqamli elementlarning yuqori ishonchliligi, xalaqitlarga bardoshliligi, axborotni yo’qotmasdan uzoq vaqt mobaynida saqlay olishi, integral texnologiyaga moyilligi ularni hozirda juda keng tarqalishiga sabab bo’ldi. Raqamli elementlarga mantiqiy elementlar va triggerlar kiradi. Ushbu elementlar asosida kompyuterning "bazaviy" uzellari shakllantiriladi. "Bazaviy" nomi bu uzellarning kompyuterning barcha qurilmalarida uchrashini bildiradi. Ularga registrlar, sanagichlar, jamlagichlar, deshifratorlar, shifratorlar, multipleksorlar, demultipleksorlar va h. kiradi. Ba’zi kompyuter qurilmalarida ham analog, ham raqamli axborot ishlatiladi. Bu qurilmalar - kombinatsiyalangan qurilmalarga mansub. Misol sifatida analograqam va raqam-analog o’zgartgichlarini ko’rsatish mumkin. 4. Ikkili alfavitdagi 0 va 1 belgilarning fizik analogi sifatida qiymatlari aniq farqlanuvchi signallar ishlatiladi. Masalan, yuqori va past sathli kuchlanish (potentsial), elektr impulsining borligi yoki yo’qligi, ishoralari bir-biriga teskari magnit maydonining qiymatlari va h. Raqamli qurilmalarda o’zgaruvchilar va ularga mos signallar vaqtning diskret onlarida o’zgaradi. Diskret vaqtning ikkita qo’shni onlari o’rtasidagi vaqt oralig’i takt yoki axborotni ifodalash davri deb atalsa, vaqtning diskret onlari diskret onlar deb ataladi. Diskret vaqtni vaqt o’qida ketma-ket takt onlariga mos keluvchi nomerlangan nuqtalar majmui ko’rinishida ifodalash mumkin. Takt onlari o’rtasidagi vaqt oralig’i ixtiyoriy bo’lishi mumkin. Boshqacha aytganda, sxemada i -chi vaqt onida o’zgaruvchilar va moc signallar qiymati joriy vaqt ti ga bog’liq bo’lmay, faqat i -chi takt oni nomeriga bog’liq. Aksariyat hollarda raqam qurilmalarda diskret vaqt onlarini belgilovchi sinxronlovchi signallarni (SS) ishlab chiqaruvchi maxsus blok bo’ladi. Raqamli hisoblash qurilmalarida axborotni fizik ifodalashda odatda potentsial va impuls usullari qo’llaniladi. Potentsial usulda (1.2.-rasm, "a") 1 va 0 o’zgaruvchilarga mashina sxemasining mos nuqtasida kuchlanishning turli sathlari mos keladi (potentsial kod). Potentsial signal sathi axborotni ifodalash davri mobaynida (taktda) o’zgarmaydi. Axborotni impuls usulida ifodalashda (1.2.-rasm, "b") ikkili o’zgaruvchining birlik va nollik qiymati sxemaning mos nuqtasida elektr impulsining borligi yoki yo’qligi orqali ifodalanadi (impuls kod). Impuls signalni uning amplitudasi U m , asosi (1.2.-rasm, "b") bo’yicha t davomiyligi t asos orqali xarakterlash mumkin. Impulsning o’sish vaqti fr va pasayish vaqti t pas mos holda uning fronti va pasayishi deb ataladi. Xuddi shunday tushunchalarni potentsial signalga ham qo’llash mumkin (1.2rasm, "a"). Potentsial signal kuchlanishning yuqori va pastki sathlarining farqi bilan ham xarakterlanadi. t fr t pas t fr t pas t asos 1.2-rasm. Raqamli axborotni ifodalash usullari. a - potentsial tipdagi signallar; b - impuls tipdagi signallar. Potentsial signalda front va pasayish tushunchalari mos holda kuchlanishlarning pastki sathdan yuqori sathga va yuqori sathdan pastki sathga o’tish jarayoni bilan doimo bog’liq. Axborotni ifodalashda ishlatiladigan signallar xiliga bog’liq holda raqamli qurilma sxemalarini impuls, potentsial va impuls-potentsial sxemalarga ajratish qabul qilingan. Impuls sxemalarda faqat impuls signallari ishlatiladi, potentsial sxemalarda faqat potentsial signallar ishlatiladi, impuls-potentsial sxemalarda ham impuls, ham potentsial signallar ishlatiladi. So’zni ketma-ket yoki parallel usul orqali ifodalash mumkin (ketma-ket yoki parallel kod). Axborotni ketma-ket usulda ifodalashda har bir vaqt takti so’z kodining bitta xonasini akslantiradi (1.3.-rasm). Bu holda so’zning barcha xonalari navbat bilan bitta element bilan qaydlanadi va axborot uzatishning bitta kanali orqali o’tadi 1.3.-rasm. Ketma-ket impuls kod (a), ketma-ket potentsial kod (b). Parallel usulda so’z kodining barcha xonalari bitta vaqt taktida ifodalanadi, alohida elementlarda qaydlanadi, har biri so’zning faqat bitta xonasini ifodalash va uzatishga xizmat qiluvchi alohida kanallar orqali o’tadi (1.4.-rasm). 1.4.-rasm. Parellel impuls kod (a), parallel potentsial kod (b). Qo’llaniladigan kodga bog’liq holda hisoblash texnikasining qurilmalari ketma-ket yoki parallel qurilmalar deb ataladi. Ketma-ket kod ishlatilganida barcha amallar, shu jumladan so’zlarni bir uzeldan ikkinchi uzelga uzatish so’zning har bir xonasi uchun navbat bilan amalga oshiriladi. Shu sababli ketma-ket qurilmalar parallel qurilmalarga qaraganda sekinroq ishlaydi. Parallel kodda signallarni uzatish zanjirlari soni, xotirlovchi va o’zgartiruvchi elementlar soni qurilma ishlaydigan so’z xonalari soniga teng, ya’ni apparatura hajmi katta bo’ladi. Shunga qaramasdan zamonaviy kompyuterlarda axborotni ishlashda ishtirok etuvchi asosiy qurilmalar yuqori tezkorlikka erishish maqsadida parallel quriladi. Asbob uskunalarni tejash maqsadida ba’zi qurilmalarda , ketma-ket-parallel koddan foydalaniladi. Bunda so’z qismlarga (bo’g’inlarga) ajratiladi va uzatish, ba’zida esa ishlash ham ketma-ket, bo’g’inma-bo’g’in amalga oshiriladi. Nazorat savollari: 1. Kompyuter sxemotexnikasi rivoji bosqichlarini sanab o’ting. 2. Uchinchi avlod kompyuter sxemotexnikasining ikkinchi avlodidan jiddiy farqi nimada. 3. Kompyuter elementlarining turkumlanishi. 4. Analog elementlarning vazifasi. 5. Diskret elementlarning vazifasi. 6. Potentsial va impuls signallarga ta’rif bering. 7. Ketma-ket va parallel qurilmalar. Adabiyotlar 1. X.K.Aripov, A.M.Abdullaev, N.B.Alimova, X.X.Bustanov, E.V.Ob’edkov, Sh.T.Toshmatov. Sxemotexnika. T.: TAFAKKUR BO’STONI, 2013 y. 2. X.K. Aripov, A.M. Abdullayev, N.B. Alimova, X.X. Bustanov, Sh.T. Toshmatov. Raqamli mantiqiy qurilmalami loyihalashtirish. Darslik. -T.: «Aloqachi », 2017, 396 bet. 3. Х.К.Арипов, А.М.Абдуллаев, Н.Б.Алимова, Х.Х.Бустанов, Е.В.Объедков, Ш.Т.Тошматов. Схемотехника. Т.: ALOQACHI, 2010г. 4. Digital Logic Design, Jiwang Ware Z Scene. Fourth Edition, 2002y. 5. Robert L. Boyleastad. Introductory Circuit analysis. 2014-Pearson Education Limited, 1091 p. 6. Stephon Brown, Zvonko Vranesic. Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design. 2014-The Me Grow-Hin Companies. 847p. 7. Behzad Razavi. Fundamentals of Microelectronics.2nd edition. 2014y. John Wiley&Sons. 932 p. 8. Амосов B.B. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. Учебное пособие. БХВ-Петербург. 2016г. 562с. 9. В.М. Пролейко. Базовые лекции по электронике (в 2-х томах). ТЕХНОСФЕРА. Москва. 2009 г. 10.С.Н.Лехин. Схемотехника ЭВМ. Санкт-Петербург, 2010г.