Системи числення і поняття коду

СХЕМОТЕХНІКА ЕОМ

Навчальний посібник

для студентів спеціальностей

“Інформатика“

Мелітополь–2010

УДК

ББК

К 004.31

Рецензенти:

Найдиш А.В. – д.т.н., професор, зав. кафедри Прикладної математики і комп'ютерних технологій Таврійського державного агротехнологічного університету

Діордієв В.Т. – к.т.н., професор, зав. кафедри Автоматизація сільськогосподарського виробництва Таврійського державного агротехнологічного університету

Щербина І.А. – к.т.н., доцент, заступник директора з навчальної роботи Мелітопольського відокремленого підрозділу Запорізького інституту Економіки та інформаційних технологій

Навчальний посібник. – Мелітополь:МДПУ, 2010. – 179 с.

Розглянуті основні розділи схемотехніки ЕОМ – арифметичні та логічні основи схемотехніки, базові логічні елементи, принципи побудови та використання комбінаційних пристроїв, лічильники імпульсів, регістри, арифметико-логічні пристрої, пам’ять комп’ютерів та мікропроцесори. В кожному розділі наведені контрольні запитання. В деяких розділах наведені завдання для дослідження схем електронних пристроїв на комп’ютері за допомогою програми Electronics Workbench.

Навчальний посібник рекомендовано для студентів, викладачів і усіх охочих під час вивчення курсу «Схемотехніка ЕОМ».

Зміст

Вступ.......................................................................................................... 6

Перелік використовуваних скорочень.............................................. 7

Розділ 1. Арифметичні основи схемотехніки ЕОМ.............................. 8

1.1 Системи числення і поняття коду................................................ 8

1.2 Перетворення чисел з однієї позиційної системи в іншу 9

1.3 Форма представлення чисел з плаваючою комою..................... 12

1.4 Кодування від’ємних чисел......................................................... 13

1.5 Арифметичні операції додавання і віднімання........................... 14

1.6 Арифметичні операції множення і ділення................................. 16

Розділ 2. Логічні основи ЕОМ................................................................ 19

2.1 Алгебра логіки (АЛ).................................................................... 19

2.2 Теорема Шеннона........................................................................ 24

2.3 Мінімізація булевих функцій....................................................... 25

Розділ 3. Типові функціональні вузли ЕОМ........................................ 32

3.1 Дешифратори і шифратори......................................................... 32

3.1.1 Загальна характеристика дешифраторів................................. 32

3.1.2 Лінійний дешифратор............................................................... 34

3.1.3 Загальна характеристика шифраторів..................................... 36

3.1.4 Пріоритетний шифратор на три входи.................................... 36

3.2 Мультиплексори і демультиплексори......................................... 40

3.2.1 Загальна характеристика мультиплексорів............................. 40

3.2.2 Каскадування мультиплексорів................................................ 41

3.2.3 Загальна характеристика демультиплексорів.......................... 42

3.2.4 Демультиплексор на чотири входи.......................................... 43

3.3 Схеми порівняння і контролю..................................................... 47

3.3.1 Загальна характеристика схем порівняння.............................. 47

3.3.2 Схеми порівняння двійкових слів А і В................................... 47

3.3.3 Схеми порівняння двох слів на «більше»................................ 48

3.3.4 Загальна характеристика схем контролю парності................. 49

3.4 Перетворювачі кодів.................................................................... 53

3.4.1 Загальна характеристика перетворювачів кодів..................... 53

3.4.2 Перетворювач прямого коду в обернений.............................. 53

3.4.3 Перетворювач прямого коду в доповняльний........................ 54

3.4.4 Перетворювач прямого коду в код Грея................................. 56

3.5 Двійкові суматори........................................................................ 63

3.5.1 Загальна характеристика суматорів......................................... 63

3.5.2 Однорозрядні суматори........................................................... 64

3.5.3 Послідовний багаторозрядний суматор.................................. 66

3.5.4 Паралельні багаторозрядні суматори..................................... 67

3.5.5 Двійково-десяткові суматори.................................................... 68

Розділ 4. Вузли з пам’яттю....................................................................... 73

4.1 Лічильники................................................................................... 73

4.1.1 Загальна характеристика лічильників...................................... 73

4.1.2 Двійкові підсумовувальні і віднімальні лічильники................ 74

4.1.3 Двійкові реверсивні лічильники............................................... 78

4.1.4 Двійково-десяткові лічильники................................................. 79

4.2 Регістри......................................................................................... 83

4.2.1 Загальна характеристика регістрів.......................................... 83

4.2.2 Установлювальні мікрооперації............................................... 84

4.2.3 Записування інформації............................................................ 85

4.2.4 Зчитування інформації.............................................................. 85

4.2.5 Логічні мікрооперації в регістрах............................................ 86

4.2.6 Мікрооперації зсуву.................................................................. 86

Розділ 5. Арифметико-логічні пристрої.................................................. 92

5.1 Класифікація арифметико-логічних пристроїв........................... 92

5.2 Мови описання операційних пристроїв...................................... 96

5.3 Пристрої керування..................................................................... 97

5.7 Центральний пристрій керування............................................... 99

Розділ 6. Електронна пам'ять комп'ютерів............................................ 105

6.1 Загальна характеристика пам'яті................................................. 105

6.1.1 Функція пам’яті......................................................................... 105

6.1.2 Класифікація електронної пам’яті............................................ 107

6.1.3 Основні параметри пам’яті....................................................... 109

6.2 Динамічна пам'ять........................................................................ 109

6.2.1 Схема динамічного запам'ятовувального пристрою............... 110

6.2.2 Регенерація динамічної пам'яті................................................. 112

6.2.3 Модулі динамічної пам'яті........................................................ 114

6.2.4 Віртуальна пам'ять.................................................................... 115

6.3 Статичні запам'ятовувальні пристрої.......................................... 115

6.3.1 Загальна характеристика статичних запам'ятовувальних

пристроїв...................................................................................................... 115

6.3.2 Різновиди статичної пам’яті...................................................... 117

6.3.3 Кеш-пам’ять............................................................................... 118

6.4 Пам'ять для довготривалого зберігання (ПЗП, NVRAM).......... 120

6.5 Мікросхеми постійних запам'ятовувальних пристроїв.............. 121

6.5.1 Мікросхеми програмованих постійних запам'ятовувальних

пристроїв...................................................................................................... 122

6.5.2 Мікросхеми РПЗП-ЕС на МНОН-транзисторах...................... 122

6.5.3 Мікросхеми РПЗП-ЕС на ЛІЗМОН-транзисторах................... 123

6.6 Флеш-пам’ять............................................................................... 125

6.6.1 Мікросхема файлової флеш-пам'яті 28F008SA....................... 125

6.6.2 Пам'ять типу Strata Flash.......................................................... 127

6.7 Програмувальні логічні інтегральні схеми (ПЛІС)………………..127

6.7.1 Загальні відомості про ПЛІС……………………………………...127

6.7.2 Область застосування ПЛІС………………………………………128

6.7.3 Прості й складні логічні пристрої (ПЛП) ………………………..129

6.7.4 Програмувальні логічні матриці (ПЛМ)…………………………129

6.7.5 Програмувальні логічні матриці PAL і GAL…………………….131

6.7.6 Складні ПЛП……………………………………………………......132

Розділ 7. Мікропроцесори......................................................................... 134

7.1 Параметри процесорів................................................................. 135

7.2 Властивості процесорів................................................................ 138

7.3 Режими роботи процесорів.......................................................... 141

7.3.1 Реальний режим........................................................................ 141

7.3.2 Захищений режим..................................................................... 141

7.3.3 Віртуальний реальний режим.................................................. 142

7.4 Архітектура мікропроцесорів..................................................... 142

7.5 Програмно керований обмін інформацією................................. 144

7.6 Однокристальні восьмирозрядні мікропроцесори.................... 147

7.6.1 Загальна характеристика мікропроцесора К1821ВМ85А...... 147

7.6.2 Структура мікропроцесора К1821ВМ85А.............................. 148

7.6.3 Формати команд і даних. Способи адресації........................... 150

7.6.4 Система команд мікропроцесора К1821ВМ85А. Загальна

характеристика............................................................................................ 151

7.6.5 Команди пересилання............................................................... 152

7.6.6 Команди арифметичних операцій мікропроцесора

К1821ВМ85А..................................................................................... 153

7.6.7 Команди логічних операцій мікропроцесора

К1821ВМ85А..................................................................................... 153

7.6.8 Команди керування введенням-виведенням, стеком і станами

мікропроцесора К1821ВМ85А......................................................... 154

7.7 Однокристальні шістнадцятирозрядні мікропроцесори............ 155

7.7.1 Загальна характеристика мікропроцесора К1810ВМ86А...... 155

7.7.2 Функції арифметико-логічного пристрою............................... 156

7.7.3 Пристрої керування і синхронізації......................................... 157

7.7.4 Система команд мікропроцесора К1810ВМ86А..................... 158

7.8 Арифметичний співпроцесор К1810ВМ87................................. 158

7.9 Суперскалярні 32-розрядні мікропроцесори з

CISC-архітектурою............................................................................ 160

7.9.1 Узагальнена характеристика суперскалярних

CISC-мікропроцесорів....................................................................... 160

7.10 Структура мікропроцесора Pentium......................................... 161

7.11 Суперскалярні мікропроцесори з RISC-архітектурою............ 163

7.12 Архітектура POWER................................................................. 164

7.13 Покоління процесорів................................................................ 167

Список загальних термінів................................................................ 170

Предметний покажчик....................................................................... 175

Список літератури.............................................................................. 178

Вступ

Інформатизація суспільства вимагає постійного вдосконалення електронно-обчислювальної техніки, створення нових потужніших ПК, що забезпечують автоматизацію збору, зберігання, обробки і передачі інформації. Схемотехніка є науково-технічною дисципліною. Вона служить теоретичною базою, на основі якої розробляються нові методи аналізу і синтезу систем електронних обчислювальних машин і способи їх технічної реалізації. Схемотехніка широко використовуються при підготовці фахівців у галузі експлуатації, проектування і створення апаратного і програмного забезпечення обчислювальної техніки, а також автоматизації різноманітних науково-технічних систем.

У запропонованому навчальному посібнику викладено теоретичні основи схемотехніки ЕОМ, принципи аналізу і синтезу цифрової інформації, арифметичні і логічні основи обробки даних. Виклад навчального матеріалу супроводжується численними прикладами. Розглянуто елементи і типові функціональні вузли, а також основні пристрої ЕОМ: електронна пам'ять, арифметико-логічні пристрої, пристрої керування і системи введення/виведення інформації, а також сучасні пристрої схемотехніки: програмувальні логічні інтегральні схеми, програмувальні логічні матриці. У розширеній формі представлені характеристики процесорів, мікропроцесорів, подані визначення, класифікація і основні галузі їх застосування.

У деяких параграфах наведені завдання для дослідження схем електронних пристроїв на комп’ютері за допомогою програми Electronics Workbench. Після виконання практичних завдань студент повинен скласти звіт та захистити роботу.

Колектив авторів сподівається, що матеріали посібника стануть корисними для багатьох фахівців у галузі інформаційних технологій та педагогів середньої та вищої школи.

Перелік використовуваних скорочень

АЛБ арифметико-логічний блок

АЛП арифметико-логічний пристрій

БАД буфер адреси даних

ВІС велика інтегральна схема

ЕОМ електронна обчислювальна машина

ЕП елемент пам'яті

ЗП запам'ятовуючий пристрій

ІМС інтегральна мікросхема

КМОН комплементарна МОН-структура

КОП код операції

МЕН структура ”метал-напівпровідник”

МНОН структура ”метал-нітрид-оксид

напівпровідник”

МОН структура ”метал-оксид-напівпровідник”

МП мікропроцесор

МПС мікропроцесорна система

НВІС надвелика інтегральна мікросхема

НМС накопичувач на магнітних дисках

НОД накопичувач на оптичних дисках

ОЗП оперативний ЗП

ОП оперативна пам'ять

ОС операційна система

ПВВ пристрій введення-виведення інформації

ПДП прямий доступ до пам'яті

ПЗП постійний ЗП

ПК пристрій керування

ПЛІС програмувальні логічні схеми

ПЛМ програмувальні логічні матриці

ПЛП програмувальні логічні пристрої

ППЗП програмувальний ПЗП

ЦП центральний процесор

ЦПК центральний пристрій керування

ША шина адреси

ШВВ шина введення-виведення

ШД шина даних

ШК шина керування

Розділ 1. Арифметичні основи схемотехніки ЕОМ

Системи числення і поняття коду

		В процесі переробки інформації цифрові ЕОМ – комп'ютери, оперують числами, які подаються в деякій системі числення. Cукупність прийомів і правил для записування чисел цифровими знаками, називаютьсистемою числення. Цифрами прийнято називати елементи (символи) алфавіту, які використовуються для запису чисел в деякій системі числення. Кожній цифрі даного числа однозначно ставиться у відповідність її кількісний (числовий) еквівалент. Розрізняють позиційні і непозиційні системи числення. Система, для якої значення символу, тобто цифри, не залежить від його положення в числі називають непозиційною системою числення. До таких систем відноситься, зокрема, римська система (правда з деякими застереженнями). Тут, наприклад, символ V завжди означає п'ять, незалежно від його місця в записі числа. Є й інші сучасні непозиційні системи. Позиційна система числення– це система, в якій значення кожної цифри залежить від її числового еквівалента і від її місця (позиції) в числі, тобто один і той самий символ (цифра) може набувати різних значень. Найбільш відомою позиційною системою числення є десяткова система числення. Наприклад, в десятковому числі 876 перша цифра справа означає 6 одиниць, сусідня з нею – 7 десятків, а зліва – 8 сотень. Будь-яка позиційна система числення характеризується основою.Основою або базисом q позиційної системи численняназивають кількість знаків або символів, використовуваних для подання числа в цій системі. Цифри числа в позиційній системі числення розміщують на окремих позиціях, які прийнято називати розрядами числа в даній системі числення. Кількість розрядів у записі числа називають розрядністю числа.

У позиційній системі числення число можна представити поліномом:

A_q=a_nqⁿ+...+a₁q¹+a₀q⁰+a_-1q^-1+....+a-_mq^-m, (1.1)

де A_q – довільне число, записування в системі числення з основою q;

a_і – коефіцієнти ряду, тобто цифри системи числення;

n, m – кількість цілих і дробових розрядів відповідно.

Основа системи числення показує, скільки різних значень у межах i-го розряду може набувати кожна цифра a_і числа A. Нумерацію розрядів у цілій частині числа здійснюють ліворуч від коми, а в дробовій – праворуч від коми. Причому, нумерація розрядів починається з 0. Приклади деяких систем числення наведені в таб. 1.1.

Таблиця 1.1. Найбільш поширені системи числення

Основа, q	Назва системи числення	Використовувані символи
	Двійкова	0,1
	Трійкова	0, 1,2
	П'ятіркова	0,1,2,3,4
	Вісімкова	0,1,2,3,4,5,6,7
	Десяткова	0, 1,2, 3,4,5, 6, 7, 8, 9
	Шістнадцяткова	0, 1,2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, А, В, С,D,E,F

Десяткова система числення (q = 10) використовує десять цифр а {0,1,2,...,9}. Згідно (табл. 1.1) десяткове число 1961,321 представляється у вигляді:

1961,321₁₀ = 1·10³ + 9·10² + 6·10¹+ 1·10⁰ + 3·10^-1+2·10^-2+ 1·10^-3 = 1000 + 900 + 60 + 1+ 0,3 + 0,02 + 0,001.

Нижній індекс, що приписується числу (у даному прикладі 10), вказує систему числення, в якій записане дане число.

Коефіцієнтами ряду для вісімкової системи числення (q = 8) служать вісім цифр а {0,1,2,...,7}.

Приклад вісімкового числа:

234₈ = 2·8² + 3·8¹ + 4·8⁰ = 128 + 24 + 4 = 156₁₀.

Шістнадцяткова система числення (q =16) використовує шістнадцять символів: десять арабських цифр і перші шість символів латинського алфавіту, тобто а {0, 1, 2,...,9, 10=А, 11=B, 12=C, 13=D, 14=E, 15=F}.

Наприклад, число 2745₁₀ в шістнадцятковій системі представляється:

А·16² + В·16¹ + 9·16⁰ =10·16² + 11·16¹ + 9·16⁰ = 2560 + 176 + 9 =2745₁₀.

У двійковій системі числення (q=2) використовують дві цифри 0 і 1, а {0,1}. Приклад запису двійкового числа: 111,01₂. Згідно (табл. 1.1) воно дорівнює:

1·2² + 1·2¹ +1·2⁰ +0·2^-1 +1·2^-2 = 4 + 2 + 1 + 0 + 0,25 = 7,25₁₀

Дата добавления: 2015-10-24