Основные характеристики ЭВМ 6 страница

Шифратор

Шифратор – схема, имеющая 2ⁿ входов и n выходов, функции которой во многом противоположны функции дешифратора (рисунок 3.4). Эта комбинационная схема в соответствии с унитарным кодом на своих входах формирует позиционный код на выходе (таблица 3.2).

Таблица 3.2 – Таблица истинности шифратора

Обратите внимание, что таблицы 3.1 и 3.2 очень похожи, только входы и выходы поменялись местами.

Рисунок 3.4 – Условно-графическое обозначение шифратора на 4 входа

Компаратор

Компараторы – это комбинационные схемы, осуществляющие сравнение двух чисел. Результатом сравнения является обнаружение одного из трех состояний: A=B, A>B, A<B.

Компаратор (схемы сравнения) обычно строятся как поразрядные. Они широко используются и автономно, и в составе более сложных схем, например, при построении сумматоров.

Таблица истинности (таблица 3.3) отражает логику работы 1-го разряда схемы сравнения при сравнении двух векторов А и В. На рисунке 3.5 показана структурная схема компаратора.

Таблица 3.3 – Таблица истинности компаратора

3.2. Схемы с памятью

Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Выходные сигналы Y = (y₁, y₂, ..., у_m) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов
Х = (х₁, х₂, ..., х_n), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q₁, q₂, ..., q_k). При этом различают текущий дискретный момент времени t и последующий (t+1) момент времени (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Обобщенная структура схемы с памятью

Передача значения Q между моментами времени t и (t+1) осуществляется обычно с применением двухступенчатой памяти и синхронизирующих импульсов (СИ).

В качестве простейшего запоминающего элемента (ЗЭ) в современных ЭВМ используют триггеры. В связи с успешным применением микроэлектроники в схемах основных устройств ЭВМ (процессоров и оперативной памяти) исчезли в качестве запоминающихся элементов схемы, использующие остаточную намагниченность - ферритовые сердечники. Самая простейшая схема триггера может быть синтезирована по общим правилам (п.2.4.4).

Триггер

Триггер – электронная схема, обладающая двумя устойчивыми состояниями 0 и 1. Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачкообразно под воздействием управляющих сигналов. При этом также скачкообразно изменяется уровень напряжения на выходе триггера. Триггеры служат основой для построения регистров, счетчиков и других элементов, обладающих функцией хранения.

Триггеры можно классифицировать по различным признакам, например, так, как это показано на рисунке 3.7. Структура триггера определяется в зависимости от элементной базы и таблицы переходов, которая является модификацией таблицы истинности.

Рисунок 3.7–Классификация триггерных схем

Главной частью любого триггера является запоминающая ячейка (ЗЯ). Схема запоминающей ячейки на элементах "И-НЕ" представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Запоминающая ячейка на элементах «И-НЕ»

Входной сигнал S (Set) служит для установки ЗЯ в состояние «1» (Q=1, ). Сигнал R (Reset) устанавливает ЗЯ в состояние «0» (Q=0, ). Активными значениями для них являются сигналы низкого уровня.

RS-триггеры

Рассмотрим таблицу переходов для асинхронного RS-триггера (таблица 3.4).

Таблица 3.4 ‑ Условия работы асинхронного триггера

Содержание таблицы расшифровывается следующим образом. Элемент памяти может сохранять значение q_t=0 или q_t=1 в зависимости от установки ранее установленного состояния. При отсутствии входных сигналов на входах R и S (R =0 и S =0) значения q_t+1 первой строке таблицы в точности повторяют значения q_t. При поступлении сигнала R=l (сигнала установки «нуля») элемент независимо от своего состояния принимает значение, равное нулю, q_t+1=0. Если же на вход S поступает сигнал установки «единицы» (S=1), то q_t+1=1 независимо от предыдущего состояния q_t. Одновременное поступление сигналов на входы R и S является запрещенной ситуацией, так как она может привести к непредсказуемому состоянию. В схемах формирования сигналов R и S должны быть предусмотрены блокировки, исключающие их совпадения, S=R=1.

Для таблицы переходов (таблицы 3.4) может быть построена диаграмма Вейча (таблица 3.5).

Таблица 3.5 – Диаграмма Вейча для таблицы переходов триггера

В этой таблице знаком "~"отмечены запрещенные комбинации входных сигналов. Эти комбинации могут быть использованы для упрощения логических зависимостей. Логическая зависимость, описывающая работу элемента памяти, принимает вид:

(3.1)

Уравнение (3.1) получено путем эквивалентных преобразований. Добавление в него комбинаций, соответствующих запрещенным ситуациям и помеченных знаком "~", т.е.

позволяет еще больше упростить уравнение триггера:

(3.2)

Для реализации полученной зависимости в базисе «И-НЕ» применим правило де Моргана и получим функцию

По данной зависимости можно построить схему элемента памяти - асинхронного RS-тригера. В этой схеме следует только соединить выход q_t+1 со входом q_t. На рисунке 3.9 эта связь отмечена штриховой линией.

Рисунок 3.9– Схема асинхронного RS-триггера:
а- схема; б - обозначение на принципиальных электрических схемах;
в - временная диаграмма

RS-триггер нашел широкое распространение в схемах ЭВМ. Одиночные триггеры этого типа часто используются в различных блоках управления. В асинхронных RS-триггерах имеется один существенный недостаток, обусловленный самой логикой их построения (см. таблицу 3.4), т.е. в них сигналы R и S должны быть разнесены во времени. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры с более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D- триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-триггеров.

µ Прописные буквы в названиях триггеров обозначают:

µ R(Reset - сброс) - вход установки триггера в нулевое состояние Q=0;

µ S (Set - установка) - вход установки триггера в единичное состояние Q=1;

µ Т (Toggle - релаксатор) - счетный вход триггера;

µ J(Jerk - внезапное включение) - вход установки JK-триггера в единичное состояние Q=1;

µ К (Kill - внезапное выключение) - Q=0;

µ D (Delay - задержка) - вход установки триггера в единичное или нулевое состояние на время, равное одному такту;

µ С (Clock - часы) - вход синхронизирующих тактовых импульсов.

Триггер называется синхронным, если его таблица переходов хотя бы по одному управляющему входу реализуется под воздействием синхронизирующего сигнала. Обобщенная схема синхронного одноступенчатого триггера приведена на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 – Обобщенная схема синхронного одноступенчатого триггера

Основу синхронного одноступенчатого триггера составляет рассмотренная выше запоминающая ячейка (элементы 1, 2). Комбинационная схема преобразует управляющие сигналы триггера, а также, для некоторых типов триггеров, сигналы Q и Q с выходов ЗЯ в сигналы S и R на входах запоминающей ячейки. Синхросигнал C разрешает передачу на входы элементов 1 и 2 таких значений сигналов S и R, которые устанавливают ЗЯ в то или иное состояние. Неактивное значение синхросигнала обеспечивает на входах запоминающей ячейки состояние управляющих сигналов S = R = 1, что соответствует для нее режиму хранения.

На рисунке 3.11 показаны схемы синхронного однотактного (а) и двухтактного (б) RS-триггеров.

Двухкаскадная схема RS-триггера (рисунок 3.11, б) нашла наиболее широкое применение для построения n-разрядных схем запоминания - всевозможных регистровых схем. Штриховыми линиями на схеме указаны дополнительные точки подключения сигналов установки и сброса.

Рисунок 3.11–Электрическая и функциональная схемы синхронных RS-тригтеров:
а, б - варианты

Представленный на рисунке 3.11 а) триггер имеет статическую синхронизацию, при которой управляющие сигналы активизируют входы S и R запоминающей ячейки во время высокого уровня сигнала на входе синхронизации. Его условно-графическое обозначение приведено на рисунке 3.12. Условно-графические обозначения триггеров, использующих другие типы синхронизации, приведены на рисунке 3.12 б), в), г) (на примере RS-триггера).

На рисунке 3.12 б) представлено условно-графическое обозначение триггера со статической синхронизацией в случае, если активный уровень синхросигнала низкий. Условно-графические обозначения триггеров с динамической синхронизацией показаны на рисунке 3.12 в), г). В первом случае изменение состояния триггера под воздействием поступивших управляющих сигналов происходит только в момент переключения синхронизирующего сигнала с низкого уровня на высокий, а во втором – при переключении с высокого на низкий уровень. При постоянном значении уровня синхросигнала состояние выхода триггера с динамической синхронизацией не меняется при любых изменениях управляющих сигналов на его входах.

Рисунок 3.12 – Условно-графические обозначения RS-триггера с различной синхронизацией:
а - статическая синхронизация; б - статическая инверсная синхронизация;
в - динамическая синхронизация передним фронтом синхросигнала;
г - динамическая синхронизация задним фронтом синхросигнала

Идеализированная (без учета задержек) временная диаграмма работы RS-триггеров с различными типами синхронизации приведена на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 – Временная диаграмма работы RS-триггера с различными типами синхронизации: Qа – статическая синхронизация; Qб– статическая инверсная синхронизация; Qв –динамическая синхронизация передним фронтом синхросигнала; Qг– динамическая синхронизация задним фронтом синхросигнала

Как отмечалось выше, синхронный триггер, помимо управляющих входов, воздействующих на его состояние при подаче сигнала синхронизации, может иметь входы, которые воздействуют на его состояние непосредственно. Обычно они используются для установки триггера в то или иное начальное состояние перед подачей последовательности синхросигналов. Схема синхронного RS-триггера с асинхронными входами установки в «0» и в «1» приведена на рисунке 3.14, а его условно-графическое обозначение – на рисунке 3.15.

Рисунок 3.14 –Синхронный одноступенчатый RS-триггер с асинхронными установочными входами

Рисунок 3.15 – Условно-графическое обозначение синхронного одноступенчатого RS-триггера с асинхронными установочными входами

Сигналы, поступающие по асинхронным входам S и R, подаются непосредственно на входы запоминающей ячейки, образованной элементами 1 и 2, минуя цепь, управляемую синхросигналом (элементы 1 и 2), и вызывают переключение запоминающей ячейки согласно таблице 3.4.

Триггеры некоторых типов используют значения выходного сигнала для формирования управляющих сигналов на входах запоминающей ячейки (см. рисунок 3.10). Это может привести к непредсказуемой последовательности его переключений. При построении отдельных схем на основе триггеров, например, регистров сдвига, необходимо, чтобы значения выходных сигналов триггера не изменялись на то время, пока производится их запись и значения его выходных сигналов в другой триггер, но сам этот триггер должен воспринимать значения с выхода некоторой другой триггерной схемы. Эти, а также некоторые другие ситуации требуют особых подходов к организации триггера, основным из которых является создание двухступенчатых триггеров.

Двухступенчатый RS-триггер

Двухступенчатый RS-триггер (рисунок 3.16 и рисунок 3.17) строится на основе двух одноступенчатых триггеров с прямой статической синхронизацией. Информация в первую ступень триггера (элемент 1) заносится во время действия высокого уровня синхросигнала. После того как синхросигнал на входе принимает низкое значение, элемент 1 переходит в режим хранения, а значение высокого сигнала на выходе инвертора 3 обеспечивает запись состояния триггера 1 в триггер 2. Идеализированная временная диаграмма работы двухступенчатого RS-триггера приведена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.16 – Схема двухступенчатого RS-триггера

Рисунок 3.17 – Условно-графическое обозначение двухступенчатого RS-триггера

Рисунок 3.18 – Временная диаграмма работы двухступенчатого RS-триггера

Т-триггер

На рисунке 3.19 приведена схема Т-триггера или иначе - триггера со счетным входом. При значении Т=0 триггер сохраняет свое ранее установленное состояние - режим хранения состояния, при Т=1 триггер переходит в противоположное состояние. Таблица переходов (таблица 3.6) и диаграмма работы (рисунок 3.19, б) отражают динамику работы этого элемента.

Рисунок 3.19 – Схема триггера со счетным входом:
а- функциональная; б - условное обозначение; в - временная диаграмма

Таблица 3.6 – Таблица переходов Т-триггера

По таблице переходов можно получить логическую функцию, реализуемую Т-триггером:

(3.3)

Нетрудно видеть, что зависимость (3.3) очень похожа на функцию, выведенную для одноразрядного комбинационного полусумматора. На рисунке 3.19, а) показано, как двухтактный RS-триггер преобразуется в Т-триггер.

JK-триггер

Наиболее сложным типом триггера является JK-триггер. Он, по существу, является объединением двухтактного RS- и Т-триггеров. Этому соответствует его таблица переходов (таблица 3.7).

Таблица 3.7 – Таблица переходов JK-триггера

Если первые три строки таблицы переходов полностью повторяют соответствующие строки таблицы 3.4, то последняя строка, с запрещенной комбинацией для RS-триггера, соответствует режиму переключения Т-триггера (см. таблицу 3.6). Схема JK-триггера изображена на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20– JK-триггер:
а - функциональная схема; б - условное обозначение

На рисунке 3.21 приведена схема двухступенчатого JK-триггера. Следует отметить, что первая ступень представляет собой одноступенчатый триггер, реализующий заданную таблицу переходов, в то время как вторая ступень – это всегда одноступенчатый синхронный RS-триггер.

Рисунок 3.21– Двухступенчатый JK-триггер

D-триггер

Динамический триггер D-триггер обычно строится на основе двухтактного RS- или JK-триггера. Он предназначается для хранения состояния (1 или 0) на один период тактовых импульсов (с задержкой на 1 такт). Таблица его переходов отражена в таблице 3.8. На рисунке 3.22, а и б представлены варианты его построения, а на рисунке 3.22, в - его условное обозначение.

Таблица 3.8 – Таблица переходов D-триггера

Рисунок 3.22– Схема D-триггера:
a- функциональная схема на основе RS-триггера;
б- функциональная схема на основе JK-триггера;
в - условное обозначение

Все перечисленные элементы памяти позволяют хранить одну единицу информации – бит или одну двоичную цифру.

3.3 Узлы ЭВМ

При построении ЭВМ широко используются функциональные схемы, обеспечивающие операции хранения и преобразования информации над группами битов (машинными словами). Такие сложные схемы называются узлами. К типовым узлам относят:

ª регистры,

ª счетчики,

ª сумматоры.

Все они также принадлежат к регулярным структурам, состоящим из одинаковых параллельно работающих одноразрядных схем.

Регистры

Регистром называется узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи машинного слова. Регистры могут также использоваться для некоторых операций преобразования данных:

Ø для сдвига кода числа (слова) на определенное число разрядов влево или вправо,

Ø для преобразования последовательного кода числа в параллельный и наоборот;

Ø для подсчета синхроимпульсов и т.д.

Эти дополнительные функции регистров обеспечиваются путем усложнения схем хранения, выбора более сложных триггеров и подключения дополнительных логических схем на их входах и выходах.

Таким образом, регистры представляют собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение различных операций над словом.

На рисунке 3.23 показана функциональная схема n-разрядного регистра, построенного на RS-триггерах. Информация в регистр записывается под действием сигнала «Запись». Предварительно перед установкой кода на регистр обычно на все разряды R подается сигнал сброса. На рисунке 3.23 показано, что подключение к входам R дополнительных инверторов позволяет избежать этой предварительной операции. Здесь на вход каждого разряда поступает парафазный код двоичной цифры (x_i - на вход S_i и х_i - на вход R_i), т.е. прямое и инверсное значения кода подаются в противофазе.

На рисунке 3.24 изображена функциональная схема того же регистра, дополненная логическими элементами для преобразования хранящегося на регистре кода. По сигналу «Прямой код» с регистра считывается прямой код хранящихся данных, а по сигналу «Обратный код» - инверсное значение каждого разряда слова. Если оба эти сигнала поступают одновременно, то считывается парафазный код хранящейся информации. Более сложная логика на входе и выходе запоминающих элементов позволяет строить сдвигающие регистры.

Рисунок 3.23– Схема регистра на RS-триггерах:
а - функциональная схема; б - условное обозначение регистра

Рисунок 3.24– Схема выдачи информации из регистра

Регистр хранения

Регистр хранения – внутреннее запоминающее устройство процессора или внешнего устройства, предназначенное для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации.

Регистры представляют собой совокупность триггеров, количество которых равняется разрядности регистра, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение некоторых элементарных операций. Набор этих операций, в зависимости от функционального назначения регистра, может включать в себя одновременную установку всех разрядов регистра в «0», параллельную или последовательную загрузку регистра, сдвиг содержимого регистра влево или вправо на требуемое число разрядов, управляемую выдачу информации из регистра (обычно используется при работе нескольких схем на общую шину данных) и т.д.

Регистры хранения используются для приема, хранения и выдачи многоразрядного кода. Они представляют собой совокупность одноступенчатых триггеров (как правило, D-типа) с общим входом синхронизации. Иногда в регистре имеется также и общий вход асинхронной установки всех триггеров в «0». Схема четырехразрядного регистра хранения приведена на рисунке 3.25, а его условно-графическое обозначение – на рисунке 3.26.

Рисунок 3.25– Структура четырехразрядного регистра хранения
с асинхронным входом установки в «0»

Рисунок 3.26– Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в «0»

Регистр сдвига

Регистр сдвига – регистр, обеспечивающий помимо хранения информации, сдвиг влево или вправо всех разрядов одновременно на одинаковое число позиций. При этом выдвигаемые за пределы регистра разряды теряются, а в освобождающиеся разряды заносится информация, поступающая по отдельному внешнему входу регистра сдвига. Обычно эти регистры обеспечивают сдвиг кода на одну позицию влево или вправо. Но существуют и универсальные регистры сдвига, которые выполняют сдвиг как влево, так и вправо в зависимости от значения сигнала на специальном управляющем входе или при подаче синхросигналов на разные входы регистра. Регистрсдвига может быть спроектирован и таким образом, чтобы выполнять сдвиг одновременно не на одну, а на несколько позиций.

Регистры сдвига строятся на двухступенчатых триггерах. Схема четырехразрядного регистра, выполняющего сдвиг на один разряд от разряда 0 к разряду 3, показана на рисунке 3.28, а его условно-графическое обозначение – на рисунке 3.27. Ввод информации в данный регистр – последовательный через внешний вход D₀. Регистр имеет вход асинхронной установки всех разрядов в «0». Для наглядности каждый двухступечатый регистр представлен двумя одноступенчатыми с соответствующей организацией синхронизации первой и второй ступеней. Пунктиром обозначен реальный двухступенчатый триггер.

Рисунок 3.27– Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра сдвига с асинхронным входом установки в «0»

Идеализированная временная диаграмма работы регистра сдвига показана на рисунке 3.29. Предполагаем, что начальное состояние регистра следующее: Q₀=0, Q₁=1, Q₂=1, Q₃=0.

Работа регистра сдвига в каждом периоде сигнала синхронизации разбивается на две фазы: при высоком и при низком значении синхросигнала:

Ø При высоком уровне синхросигнала проводится запись значения выхода (i–1)-го разряда регистра в первую ступень i-го разряда. Вторая ступень каждого разряда сохраняет свое прежнее значение. В этой фазе состояние первой ступени i-го триггера повторяет состояние второй ступени (i – 1)-го триггера. Вторые ступени каждого триггера, а, следовательно, и выходы регистра в целом, остаются неизменными.

Ø При низком уровне синхросигнала значение, записанное в первой ступени каждого триггера, перезаписывается в его вторую ступень. Запись в первую ступень триггера запрещена. В этой фазе состояния первой и второй ступеней каждого триггера становятся одинаковыми.

Ø Поступление сигнала R = 0 вне зависимости от значения сигнала на входе синхронизации С и сигнала на входе D0 устанавливает все разряды регистра в нулевое состояние.

Рисунок 3.28– Структура регистра сдвига

Рисунок 3.29– Временная диаграмма работы регистра сдвига

Счетчик

Счетчик – узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичного числа. Счетчик, состоящий из n-триггеров, дает возможность подсчитывать до N сигналов, связанных зависимостью:

n = log2 N или N = 2ⁿ.