его построения могут использоваться электромагнитные реле, среди которых имеются как достаточно мощные многоконтактные реле, работающие от постоянного или переменного тока, так и малогабаритные реле, для работы которых требуется небольшой ток. Однако в связи с успехами микроэлектроники для построения ДУ все шире применяются различного рода электронные элементы и в первую очередь интегральные микросхемы.

В области микроминиатюризации электронной аппаратуры можно отметить три основных направления:

создание микромодулей с высокой плотностью упаковки дискретных микрокомпонентов; интегральная электроника; молекулярная электроника.

Первое направление, появившееся раньше других, предусматривает сборку миниатюрных дискретных компонентов электронных схем в одном блоке (микромодуле) с высокой степенью упаковки, достигающей трех и более компонентов в 1 см3. Однако микромодульная техника, основанная на применении дискретных микроэлементов, не смогла коренным образом решить проблему микроминиатюризации электронных устройств, так как уменьшение размеров компонентов затрудняло операции сборки и моитажа их в микромодуле. Кроме того, имеющиеся между компонентами внутри модуля и между модулями в блоке соединения, выполненные пайкой или сваркой, являлись источником повреждений (отказов) и не позволяли получать высоконадежные устройства. При этом увеличение плотности монтажа существенно ограничивалось соединительными элементами, опорными конструкциями и прочими устройствами, которые занимали больший объем, чем сами компоненты.

По указанным выше причинам первое направление микромипиатюризации электронной аппаратуры было вытеснено вторым - интегральной электроникой. Используемые интегральные микросхемы представляют собой монолитную структуру, внутри или на поверхности которой в едином технологическом процессе формируются все компоненты схем и соединения между ними. Значительное уменьшение размеров и существенное повышение надежности интегральных микросхем по сравнению с микромодульнымн обусловлено прежде всего сокращением объема, занимаемого проволочным или печатным монтажом, опорными конструкциями и т. п. Высокая надежность и резкое снижение стоимости электронной аппаратуры, основанной на применении интегральных микросхем, объясняются также исключением многочисленных операций, связанных с испытанием, сборкой и монтажом отдельных компонентов схем при ее изготовлении.

В настоящее время интегральная электроника является основным направлением в области микроэлектроники. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться лишь интегральный технологический принцип микроминиатюризации электронной аппаратуры. Вместе с тем следует иметь в виду, что в будущем основным направлением может оказаться третье направление - молекулярная электроника (молектроника), которое в данное время только начинает развиваться. В отличие от интегральных микросхем молектроника предлагает принципиально новый подход к созданию электронных устройств, основанный на физических явлениях в твердом теле. Блоку твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения определенной заданной функции, причем без создания в нем какой-либо привычной для обычной электроники функциональной схемы.

Еще недавно интегральные микросхемы относили к БИС, если на одном кристалле размещалось порядка 100 элементов. Сейчас такие схемы имеют уровень интеграции в 100 тыс. элементов на кристалл. И это не предел. За последние 10 лет степень интеграции элементов на одном кристалле выросла примерно в 103 раз и к настоящему времени достигает 10s элементов на кристалл. К 1984 г. прогнозируется степень интеграции 106, а к 1990 - 107 элементов на кристалл.

Высокая и все возрастающая быстрыми темпами степень интеграции элементов на одном кристалле привела к тому, что принцип построения элементной базы, используемый ранее для построения мпкроэлектронных устройств автоматики и вычислительной техники на основе ИС с малой степенью интеграции (малых ИМС), оказался неприемлемым. Создание БИС по такому же принципу, как и малых ИМС, когда на одном кристалле размещаются набор отдельных логических элементов типа И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ и т. п„ привело бы к недопустимо большому числу внешних выводов в корпусе БИС. Неприемлемым для БИС является и принцип построения законченных функциональных схем на олном кристалле, который достаточно успешно применялся при построении ИМС со средней степенью интеграции. Создание БИС, в которых реализовывались бы отдельные блоки или даже целые устройства (так называемых заказных БИС) возможно лишь небольшим тиражом, что обусловливает высокую их стоимость. Исключение представляют отдельные типовые устройства массового применения. Особенно дорогостоящими оказываются заказные БИС для управляющих устройств, так как последние, в отличие от устройств вычислительной техники, часто изготавливаются в одном или очень небольшом числе экземпляров и существенно отличаются друг от друга реализуемыми алгоритмами функционирования.

В настоящее время известны два основных принципа построения БИС, обеспечивающих их универсальность и, как следствие этого, сокращение необходимых для построения разнообразных дискретных устройств числа типов БИС и увеличение тем самым тиража каждого из типов БИС. Это - оздание однородных сред и микропроцессоров. При этом общим для данных принципов построения БИС является свойство настраиваемости БИС на реализацию тех или иных функций создаваемого ДУ.

Таким образом, настраивая одну или несколько однотипных БИС, на основе которых создается ДУ, на реализацию алгоритма функционирования последнего, можно построить любое ДУ в базисе лишь одной универсальной БИС. Практически удобно иметь набор различных типов настраиваемых БИС, позволяющих реализовать любое ДУ, т. е. универсальный базис на основе не одного типа

настраиваемых БИС, а набора небольшого чис.ла (обычно не более пяти - шеста) типов настраиваемых

БИС.

Первый принцип построения настраиваемого БИС, который возник еще в 60-е годы, - это создание однородных сред [14] из многофункциональных элементов. Настраивая многофункциональные элементы на реализацию той пли иной функции в однородной среде, можно реализовать любое ДУ. Фактически однородная среда имеет структуру, аналогичную структуре оперативной или постоянной памяти, но, в отличие от оперативного ищ постоянного запоминающего устройства (ОЗУ или ПЗУ), каждый разояд однородной среды реализует не две (тождественно ложную-запись нуля и тождественно истинную-запись единицы), а четыре, пять и более логических функций, которые обеспечивают не только хранение, но и переработку информаци, аппаратно реализуя тем самым алгоритм функционирования любого управляющего устройства.

Следует отметить, что в те годы, когда основным элементным базисом были малые ИМС и еще не было полупроводниковой памяти, этот принцип построения ДУ оказался неконкурентоспособным с обычной схемной реализацией ДУ в базисе определенного набора логических элементов. Однако по мере развития микроэлектроники и особенно с созданием БИС и полупроводниковой памяти большой и сверхбольшой емкости можно ожидать, что однородные среды, обеспечивающие универсальную в базисе двух-трех типов БИС аппаратную реализацию алгоритмов функционирования сложных ДУ, найдут практическое применение. При этом, основной недостаток памяти сверхбольшой емкости, являющейся прототипом однородной среды, - относительно низкое быстродействие - будет в значительной степени скомпенсирован аппаратной реализацией алгоритма функционирования ДУ.

Простейший вид однородной среды в виде программируемых логических матриц (ПЛМ) уже нашел широкое признание [15]. Вопросы проектирования ДУ в базисе однородных сред и ПЛМ излагаются в гл. 6.

Второй принцип построения настраиваемых БИС - это создание комплексов микропроцессорных БИС и использование их в качестве элементного базиса для программной реализации алгоритмов функционирования ДУ.

Микропроцессоры (МП), появившиеся в начале 70-х годов, удивительно быстро (за 8-9 лет) завоевали широкое признание и проникли буквально во все области техники. За эти немногие годы микропроцессоры благодаря успехам микроэлектроники прошли путь от многокристальных медленнодействующих с ограниченными возможностями, небольшим набором команд и малой разрядностью (2-4 разряда) до однокристальных быстродействующих многоразрядных (16-32 разряда) с расширенной системой команд и включенной сверхоперативной регистровой, оперативной и постоянной памятью, фактически представляющих собой однокристальные микро-ЭВМ.

Массовое производство 16-разрядных микро-ЭВМ с ОЗУ и ПЗУ емкостью в несколько килобайт, реализованных на кристалле 7,5X7,5 мм2 и содержащих до 105 элементов, ожидается в ближайшие год-два. На 1984 г. прогнозируется разработка микро-ЭВМ с памятью емкостью 64К бит при степени интеграции 106 элементов на кристалле 12X12 мм2.

Рост вычислительной мощности микропроцессоров при существенном сокращении их стоимости позволило рассматривать МП не только как элементную базу для построения вычислительных и управляющих устройств и не только как средство для сокращения их объема, массы, потребления электроэнергии и стоимости, но и как основу для построения распределенных многомикропроцессорных вычислительных и, в первую очередь управляющих систем (см. рис. 1.6), где в качестве ФБ используются МП или микро-ЭВМ. Проектирование распределенных многомикропроцессорных ДУ рассматривается в гл. 7.

2.2. Герконовые реле

Герконовое реле (рис. 2.1,а) содержит ряд герметизированных контактов (герконов), представляющих собой заполненную инертным газом стеклянную ампулу диаметром 3-5 мм и длиной 25-50 мм, в которой находятся две контактные пружины, изготовленные из упругого магнитопроводящего материала. Концы контактных пружин в месте образования контакта при их замыкании (в рабочем зазоре) покрыты тонким слоем золота. Группа герконов размещается внутри катушки. Для уменьшения магнитного сопротивления магнитной системы, состоящей из корпуса и контактных пружин, между корпусом и выводами пружин делают прокладки из магнитной резины, обладающие малым сопротивлением для магнитного потока и большим омическим сопротивлением электрическому току.

Рис. 2.1

При подаче тока в обмотку реле в магнитной системе возникает магнитный поток Ф, проходящий через корпус 1 и контактные пружины 2. В результате концы пружин в рабочем зазоре приобретают разную полярность и притягиваются друг к другу, образуя цепь выходного сигнала. При отключении тока от обмотки реле под действием сил упругости контактные пружины размыкаются, разрушая цепь выходного сигнала.

Наряду с герконовыми реле, имеющими контакты на замыкание, существуют реле с контактами на размыкание и переключение У герконозого реле с контактами на размыкание в цепь магнитопровода вводится постоянный магнит (на рис. 2.1,а постоянный магнит показан штриховой линией), который удерживает контактные пружины в замкнутом состоянии. Для размыкания контактов геркона обмоткой создается магнитный поток обратного направления, компенсирующий магнитный поток постоянного магнита. В результате пружины геркона под действием сил упругости размыкаются.

В герконовом реле с контактами па переключение (рис. 2.1,6) имеются три пружины, при этом пружина а изготавливается из диамагнитного материала, а пружины Ь и с-из магнитопроводящего материала. При подаче тока в обмотку реле магнитный поток, проходящий через корпус и контактные пружины Ь и с, создает разность магнитных потенциалов в рабочем зазоре этих пружин. В результате пружины а и Ь размыкаются, а пружины Ь и с замыкаются. При отключении тока от обмотки пружины геркона возвращаются в исходное состояние.

Основными достоинствами герконового реле являются высокоебыстродействие (порядка 0,5-3 мс), малые габаритные размеры и масса. Герметизация и нейтральная среда, в которой находятся контакты, обеспечивают их независимость от внешней среды и повышенную надежность. Недостаток этого реле - большое время вибрации контактов (порядка 0,5 мс).

2.3. Ферридовые реле

Ферридовое реле, кратко называемое ферридом, является элементом с памятью. Оно представляет собой герконовое реле, магнитная система которого изготовлена из материала с прямоугольной петлей гестирезиса, обладающего остаточным намагничиванием, достаточным для срабатывания и удержания контактов геркона в притянутом состоянии.

По принципу построения магнитной системы различают ферриды с последовательной и параллельной структурами магнитной системы, а по принципу выключения - с компенсацией магнитного потока и с размагничиванием материала сердечника.

Феррид с последовательным построением магнитной системы и компенсацией магнитных потоков (рис. 2.2,а) содержит: сердечник, выполненный из материала с прямоугольной петлей гистерезиса; магнитный шунт, представляющий собой массивную металлическую плату с укрепленным на ней ферридом, делящую магнитную систему на две части - верхнюю и нижнюю;

а

Рис. 2.2

несколько герконов, расположенных вокруг сердечника (на рисунке показан только один геркон), и две