Основы компьютерной электроники

Д. В. Фомин 

ОСНОВЫ 
КОМПЬЮТЕРНОЙ 
ЭЛЕКТРОНИКИ 

Учебное пособие 

Москва
Берлин 

2019

Издание второе, стереотипное

УДК 621.38 
ББК 32.973я73 

Ф76 

Автор:  
Фомин Д.В., начальник отдела информационных технологий, 
доцент кафедры прикладной информатики и математики  
БФ НОУ ВПО МосАП, к.ф.- м. н. 

Рецензенты: 
Гетман А.Н. зав. кафедрой прикладной информатики и математики  
БФ НОУ ВПО МосАП, к. т. н. 
Семочкин А.Н., доцент кафедры информатики БГПУ, к.ф.- м. н. кафедра 
прикладной информатики и математики БФ НОУ ВПО МосАП.

Фомин, Д. В. 

Ф76 
 Основы компьютерной электроники : учебное пособие / 

 Д. В. Фомин. — Изд. 2-е, стер. — Москва ; Берлин : 
 Директ-Медиа, 2019. — 108 с. 

ISBN 978-5-4499-0152-1 

Учебное пособие содержит весь необходимый материал по 
дисциплине Основы компьютерной электроники, который будет полезен 
также при изучении ряда других дисциплин, связанных с информатикой.  

Пособие рассчитано как на студентов направления «Прикладная 
информатика» и специальности «Прикладная информатика (в экономике)», так 
и других специальностей в области вычислительных и информационных 
технологий.

УДК 621.38 
ББК 32.973я73 

ISBN 978-5-4499-0152-1 © Фомин Д. В., текст, 2019 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение
5
Глава 1. Понятие о сигнале
6
1.1. Виды сигналов
6

1.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы
η

1.3. Элементы цифрового сигнала
9
Глава 2. Системы счисления
11
2.1. Кодирование
11

2.2. Перевод из одной системы счисления в другую
ц

2.3. Арифметические операции над двоичными числами
14
2.4. Единицы измерения компьютерной информации
20
Глава 3. Булева алгебра
22
3.1. Понятия алгебры логики
22
3.2. Основные функции
22
3.3. Базисы
25
3.4. Эффект «гонок» в цифровой электронике, способы борьбы
27
Глава 4. Транзисторы
30
4.1. Изобретение транзистора
30
4.2. Типы транзисторов
31
4.3. Ключевые схемы работы транзисторов
36
4.4. Современные транзисторы
39
4.5. Нанотехнологии
43
Глава 5. Интегральные микросхемы
46
5.1. Появление интегральных микросхем
46
5.2. Типы интегральных микросхем
46
5.3. Изготовление интегральных микросхем
47
Глава 6. Интегральные микросхемы последовательностного 
и комбинационного типов
57
6.1. Триггеры
58
6.2. Регистры
62
6.3. Счетчики
64
6.4. Шифраторы и дешифраторы
65
6.5. Мультиплексоры и демультиплексоры
66
6.6. Сумматоры и вычитатели
67
Глава 7.Генераторы импульсов
71
7.1. Ждущий мультивибратор
71
7.2. Несимметричный мультивибратор
72
7.3. Генераторы линейно изменяющего напряжения
73
Глава 8. Операционные усилители, компараторы, АЦП, ЦАП 
76 
8.1. Операционные усилители
76
8.2. Компараторы
78
8.3. Аналого-цифровые преобразователи
79
8.4. Цифро-аналоговые преобразователи
81

Глава 9. Запоминающие устройства
86
9.1. Ячейка памяти
86
9.2. Оперативные запоминающие устройства
87
9.3. Статические оперативные запоминающие устройства
87
9.4. Динамические оперативные запоминающие устройства
88
9.5. Постоянные запоминающие устройства
89
9.6. Информационная емкость ИМС ЗУ
92

Глава 10. 
Введение в микропроцессоры
94
10.1 Классификация микропроцессоров
94
10.2 Архитектура микропроцессоров
97
10.3 Основные характеристики микропроцессоров
юз

Список литературы
105
Интернет ссылки
107

5 

Введение 

За прошедшие десятилетия электронно-вычислительные машины, или по-
другому, 
что 
наиболее 
привычно 
для 
уха 
современного 
человека 
-
компьютеры, претерпели серьезные изменения в сторону уменьшения своих 
размеров, увеличения производительности и функциональности 
в работе, 
охвате все более широкого круга, решаемых задач. Однако основы построения 
компьютеров - 
математические алгоритмы, способы обработки сигналов, 
элементная база и многое другое не сильно изменились за прошедшее время. 
Данное 
учебное 
пособие 
посвящено 
изучению, 
как 
основ 
построения 
вычислительной техники, так и освещению ближайших перспектив связанных с 
дальнейшим прогрессом в области компьютеростроения. 
Данное учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной 
форм обучения по направлению Прикладная информатика, изучающих предмет 
Основы компьютерной электроники. 
Цель 
данного 
учебного 
пособия 
- 
сформировать 
у 
студентов 
представление 
не 
только 
об 
отдельных 
элементах, 
технологиях 
и 
математических методах используемых при создании компьютеров, но и дать 
четкое представление об их тесной и неразрывной взаимосвязи. 
Поэтому в 
учебном пособии рассматривается большой спектр материала, связанного с 
компьютером, предложенный в сжатом виде, но вполне достаточный для 
понимания роли каждого из рассматриваемых объектов, в системе построения 
вычислительной цифровой техники. 
Особое внимание уделяется вопросам, связанным с будущим развитием 
компьютерной электроники, проблемам, которые стоят перед ней в настоящий 
момент, и перспективам по их разрешению. 
Данное учебное пособие можно рассматривать и как план для более 
углубленного изучения, каждой из освещаемых тем, касающихся 
основ 
компьютерной электроники. 
В конце каждой 
главы 
предлагаются 
вопросы для 
самопроверки, 
призванные закрепить знания обучаемого и еще раз подчеркнуть наиболее 
важные моменты пройденного материала. 
Учебное пособие может быть полезно не только студентам, но и 
школьникам, проходящим обучение в профильных классах информационной 
направленности. 

5 

Глава 1. Понятие о сигнале 

Составной частью всех электронно-вычислительных 
машин 
(ЭВМ), 
различных 
модулей 
автоматизированных 
систем 
управления 
являются 
цифровые 
устройства, 
которые выполняют обработку, хранение и передачу 
информации. 
Информация 
- это отражение окружающего нас реального мира. Более 
специфичное 
определение 
информации 
дает 
наука 
информатика 
-
совокупность 
фактов, явлений 
и 
событий, 
представляющих 
интерес 
и 
подлежащих регистрации и обработке. 
Восприятие информации происходит посредством ее носителей - речи, 
текста, цифр и т.п.; которые сами по себе не являются информацией, аслужат 
лишь элементами для ее переноса. 
В 
электронике 
информацию, 
воплощенную 
и 
зафиксированную 
в 
некоторой материальной форме, называют сообщением и передают с помощью 
сигналов. 
При передаче сообщений 
используют различные физические процессы 
(электрический ток, световой поток и др.), которые могут существовать сами по 
себе 
или использоваться для других целей, как, например, для передачи 
энергии. И л и ш ь 
в случае, когда какая-либо физическая величина этих 
процессов несет в себе информацию, говорят, что такой процесс является 
сигналом. Именно в этом смысле используются понятия: электрический 
сигнал, 
световой сигнал ит.д. Итак, электрический сигнал - не просто электрический 
ток, аток, величина которого несет в себе определенную информацию. 

1.1. Виды сигналов 

множества 
сигналов можно выделить два 
основных 
передачи, обработки 
и хранения 
информации

типа, 
это 

Среди 
используемых 
для 
аналоговый и дискретный сигналы (рисунок 1.1). 
Аналоговый 
или непрерывный 
сигнал представляет собой определенный 
для любого 
момента времени и по амплитуде процесс, 
а п о с к о л ь к у 
порождающие такие сигналы 
физические процессы, обычно сами являются 
непрерывными, этим 
объясняется, почему сигналы такого типа и называются 
еще аналоговыми, т.е. аналогичные порождающим их процессам. 

*(0л
x(t)

i K - r i ï l il 

M M M M M M M M I 

0
t

 
1

a) 
6)

Рисунок 1.1 - Виды сигналов: аналоговый (а) идискретный (б) сигналы. 

6 

Аналоговый сигнал всегда является функцией времени x(t). Причем эта 
функция может принимать любые вещественные 
значения в диапазоне 
изменения аргумента /. 

Дискретным 
называют 
сигнал, определенный 
только 
в 
отдельные 
(дискретные) моменты времени, например, через одну миллисекунду. Каждое 
значение дискретного сигнала может быть представлено числом 
любой 
приемлемой 
системы 
счисления. 
В 
цифровых 
системах 
представление 
дискретных значений сигнала числом, называют 
кодированием. 

1.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы 

Любой аналоговый сигнал можно привести к дискретной, азатем, после 
кодирования к цифровой форме. Это широко используется в компьютерной 
электронике, которая построена на использовании в основном цифровых 
устройств и поэтому оперирует дискретными значениями. Помимо этого 
информацию в цифровом виде легче хранить, а также передавать практически 
без потерь по современным линиям связи. 
Преобразование аналогового сигнала в дискретный состоит из двух 
этапов: дискретизации по времени и квантовании по амплитуде (рисунок 1.2). 

Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом 
своих отсчётов (дискретов) непрерывных по амплитуде и взятых через равные 
промежутки времени Δ t = t n - t n - 1 (хотя в некоторых специальных случаях 
может применяться и неравномерная по времени дискретизация, например при 
оцифровке узкополосных сигналов). 

Рисунок 1.2. - Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой. 

При квантованиипоамплитуде 
происходит замена возможных значений 
сигнала X1, X2 ... x n, когда каждому x(t) сопоставляется ближайшее число из 
набора фиксированных величин, называемых уровнями 
квантования. 

7 

По сути, процесс квантования это та же дискретизация, поскольку шкала 
квантования состоит из дискретных отсчетов, и значения присваиваются не 
непрерывно, а с интервалом, т.е. дискретно. Тем не менее, впрактику вошло 
называть этот процесс - квантованием. 
Шаг квантования определяют как: 

Δ x(t) = x(n Δ t)/ K 1 1, 
где 

n - количество 
отсчетов за единицу 
времени; 

At - период времени между двумя отсчетами ( Δ t = t n - t n - 1 ); 
K n - десятичный 
эквивалент 
количества 
шагов 
квантования. 
На рисунке 1.3 представлены два варианта преобразование одного и того 
же аналогового сигнала в дискретный. Не трудно заметить, что вариант на 
рисунке 1.3, б предпочтительней, так как цифровой сигнал более точно 
описывает изначальный аналоговый. Это произошло благодаря тому, что 
период времени между двумя отсчетами на рисунке 1.3, б меньше, чем на 
рисунке 1.3, a: Ate<A t a , другими 
словами 
частота 
дискретизации 
по 
времени 
(обратная 
величина периоду времени Δ1) во втором случае была 
задана выше, чем в первом. 

x(t) 
x(t) 

t 
0 

Δ t a 
Δ te 

а) 
б) 
Рисунок 1.3. -Варианты преобразования одного и того же аналогового 
сигнала в цифровой. Вариант б точнее, т.к. Ate< A t a . 

Возникает закономерный вопрос: какой должна быть 
оптимальная 
частота дискретизации по времени? Ответ на него дал Гарри Найквист (1889¬
1976), американский физик-электрик и изобретатель, встатье "Certain Topics in 
Telegraph Transmission Theory" ("Некоторые вопросы теории телеграфной 
передачи") в 1928 году, в которой он изложил принципы осуществления 
выборки непрерывных сигналов для преобразования их в цифровой вид. 

Спустя 5 лет тот же самый результат независимо от американского 
коллеги был получен в СССР 
В. А. Котельниковым, который изложил 
результаты своих изысканий в работе "О пропускной способности "эфира" и 
проволоки в электросвязи" в 1933 году. Поэтому в России соответствующие 
положения чаще называют теоремой Котельникова. 
Согласно предложенной теореме, чтобы аналоговый 
(непрерывный) 

8 

сигнал можно было абсолютно точно восстановить по его отсчётам, частота 
дискретизации должна быть в два раза выше максимальной 
частоты сигнала: 

f = 2îc 
max 
(Гц), или, отсчёты 
сигнала 
должны 
браться 
не 
реже чем 
через : At = l/(2i 
с max) секунды. 

1.3. Элементы цифрового сигнала 

Как выглядит цифровой сигнал на экране осциллографа (прибор для 
изучения параметров электрических сигналов непосредственно на экране) 
можно увидеть на рисунке 1.4. 

а) 
б) 

Рисунок 1.4. - Цифровой сигнал на экране осциллографа: а - одиночный, 
б - множественный. 

Необходимо уяснить, что при всей внешней простоте формы цифрового 
сигнала - его отдельные элементы играют важное значение при проектировании 
электронной 
техники. 
На 
рисунке 
1.5 
показаны 
положительный 
и 
отрицательный 
сигналы, имеющие прямопротивоположные пассивный и 
активный уровни (например, у положительного сигнала пассивным является 
уровень соответствующий логическому «0», а активный - «1»), а т а к ж е 
обладающие передним и задним фронтами. 

передний 
(положительный) 
фронт 

задний 
(отрицательный) 
фронт 

«1» 
«1» 

передний 
(отрицательный) 
фронт 

\ 
задний 
(положительный) 
фронт 
а) 
б) 
Рисунок 1.5. - Элементы положительного (а) и отрицательного (б) цифровых 
сигналов. 

9 

Цифровые устройства могут работать с дискретными сигналами как в 
статическом режиме (когда на входе устройства уже присутствует сигнал 
определенного уровня), так и в динамическом режиме, когда уровень сигнала 
меняется, как это показано на рисунке 1.5. В последнем случае возможны три 
варианта срабатывания цифрового устройства (рассмотрим их на примере 
положительного цифрового сигнала, представленного на рисунке 1.5, а): 
- 
при переходе из нулевого уровня сигнала в единичный (или говорят: по 
переднему фронту); 
- 
при переходе из единичного уровня сигнала в нулевой (по заднему 
фронту); 
- 
поочередно - вначале по переднему, а затем по заднему фронту. 
Так, современная оперативная память компьютера за один тактовый 
импульс, срабатывает по двум фронтам и успевает выполнить сразу две 
операции, например, чтения информации или ее записи. 
Подводя 
итог 
первой 
главе, 
нужно 
еще 
раз 
уделить 
внимание 
преимуществам цифрового сигнала перед аналоговым, поскольку именно 
благодаря 
этими преимуществами 
существует 
современная 
тенденция 
перехода различных информационных каналов на цифровой формат: 
- 
информацию 
в цифровом виде можно длительно хранить, причем без 
потерь; 
- 
информацию 
в цифровом 
виде 
можно 
многократно 
копировать 
(перезаписывать) без искажений; 
- 
цифровые 
сигналы 
- 
это 
качественная 
и 
скоростная 
передача 
информации на большие расстояния; 
- 
устройства, работающие с цифровыми сигналами проще проектировать 
(всегда можно точно рассчитать и предсказать их «поведение»); 
- 
устройства, работающие с цифровыми сигналами легче 
тестировать и 
ремонтировать, нежели чем аналоговые устройства. 

В о п р о с ы 
д л я 
с а м о п р о в е р к и : 

1. Что такое информация? 
2. Дайте определение сообщению. 
3. Что подразумевают под понятием сигнала? 
4. Какие виды сигналов существуют и чем отличаются друг от друга? 
5. Как в цифровых системах называют представление дискретных значений 
сигнала числом? 
6. Из 
каких 
этапов 
состоит 
преобразование 
аналогового 
сигнала 
в 
цифровой? 
7. Как определяют шаг квантования? 
8. О чем гласит теорема Найквиста-Котельникова? 
9. Какие основные элементы цифрового сигнала Вы знаете? 
10. Какое 
значение 
имеет 
срабатывание 
цифрового 
устройства 
одновременно по двум фронтам управляющего сигала? 
11. Какими преимуществами обладает цифровой сигнал перед аналоговым 
сигналом? 

10 

Глава 2. Системы счисления 

2.1. Кодирование 

Поскольку дискретность - это случай, когда объект или явление имеет 
конечное (счетное) число вариаций, то, для того чтобы выделить конкретное из 
всего возможного, нужно каждому конкретному дать оригинальное имя 
(другими словами перечислить). Эти имена и будут нести в себе информацию 
об объектах, явлениях и т. п. В качестве имен часто используют целые числа 0, 
1, 2..., т.е. применяют 
кодирование. 
Именно 
такая 
цифровая 
форма 
представления информации используется в ЭВМ. 
Код, в котором использованы специальные символы 
для обозначения 
количества каких либо объектов называют системой 
счисления. 
Количество символов в системе счисления носит название его основания. 
Например, 
самая 
известная 
десятичная 
система 
имеет 
символы 
0,1,2,3,4,5,6,7,8 и 9 всего их 10, поэтому её называют системой счисления с 
основанием 10. Двоичная система счисления имеет только 2 символа 0 и 1, 
поэтому 
её 
называют 
системой 
счисления 
с 
основанием 
2. 
В 
шестнадцатеричной 
системе 
используется 
16 
символов: 

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F и т . д . 

Чем меньше 
основание системы 
счисления, тем больше 
разрядов 
требуется для представления одного и того же количества объектов, как это 
видно из таблицы 2.1. 

Таблица 2.1. - Сопоставление чисел разных систем счисления 

Десятичное 
число 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 

Двоичное 
число 
0 
1 
10 
11 
100 
101 
110 
111 
1000 
1001 

Выше приведенный пример также служит иллюстрацией к тому, что 
символы одной системы счисления могут быть представлены 
символами 
другой системы счисления. 

2.2. Перевод из одной системы счисления в другую 

Рассмотрим число 758 в десятичной системе - его записывают еще так: 
75810. 
Вэтомчисле: 
Цифра 7 обозначает 700, так как она занимают 3 разряд слева от 
десятичной точки, 
Цифра 5 обозначает 50, так как она занимает второй разряд от 
десятичной точки, 

Цифра 8 представляет число 8, поскольку она находится в первом 
разряде слева от десятичной точки, таким образом, всё число есть сумма: 

758=700+50+8=7·10

2+5·10
1+8·10
0. 

11 

Рассмотренный пример иллюстрирует понятие веса 
разряда. 

Аналогичное понятие вес разряда используется и в других системах 
счисления, например в двоичной, так для числа 10112=2
3 1+2
2 0+2
11+2
0 1 
Вес 
следующего 
разряда 
всегда равен 
весу предыдущего 
разряда 
умноженному 
на основание системы 
счисления. 
Учитывая это правило, запишем веса десяти первых разрядов двоичной 
системы счисления: 

Таблица 2.2. - Веса десяти первых разрядов двоичной системы счисления. 

2
9 
2
8 
2' 
2
6 
2
5 
2
4 
2
3 
2
2 
2
1 
2
0 

512 
256 
128 
64 
32 
16 
8 
4 
2 
1 

Используя понятие весов легко преобразовывать числа одной системы 
счисления в числа другой системы счисления, например двоичное число 
110001 необходимо преобразовать в десятичное: 

Искомое 
десятичное 
число 
будет 
равно 
сумме 
произведений 
соответствующих разрядов двоичного числа и их весов из таблицы 2.3: 
110001=32-1+16-1+8-0+4-0+2-0+1 -1=4910. 

Таблица 2.3. - Веса десяти первых разрядов двоичной системы счисления и 
заданное двоичное число. 

2
9 
2
8 
2' 
2
6 
2
5 
2
4 
2
3 
2
2 
2
1 
2
0 

512 
256 
128 
64 
32 
16 
8 
4 
2 
1 

1 
1 
0 
0 
0 
1 

Рассмотрим 
обратный 
случай - 
преобразование 
числа 
десятичной 
системы счисления в число двоичной системы счисления. 
Например, нужно перевести в двоичную систему счисления число 11 1 0. 
Это можно осуществить делением числа 11 1 0, на основание системы счисления 
в которую переходим, в целых числах с выписыванием остатков деления, по 
следующей схеме: 

11:2 = 5 остаток 1 это разряд весом 1 
5 : 2 = 2 остаток 1 это разряд весом 2 
2 : 2 = 1 остаток 0 это разряд весом 4 
1 : 2 = 0 остаток 1 это разряд весом 8 

Процесс перехода заканчивается 
в тот момент, когда 
очередной 
результат деления даст ноль (0) целых. 
Помня о том, что самый младший разряд всегда занимает крайнее правое 
место в записанном числе в любой системе счисления, записываем результат: 
Ню = 10112. 
Таким образом, остатки, от деления, выписанные в соответствии с 
весами разрядов, дают искомое число. 

12