Логические элементы и типовые узлы ЭВМ.

1 . Классификация элементов и узлов ЭВМ.

ЭВМ может быть представлена как совокупность узлов, а каждый узел - как совокупность элементов.

Элемент - это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации.

По функциональному назначению элементы ЭВМ могут быть разделены на:

- логические (реализующие одну из функций алгебры логики);

- запоминающие (для хранения одноразрядного двоичного числа);

- вспомогательные (для формирования и генерации импульсов, таймеры, элементы индикаторов, преобразователи уровней и т.п.).

По типу сигналов:

- аналоговые;

- цифровые.

По способу представления входных и выходных сигналов:

- потенциальные;

- импульсные;

- импульсно-потенциальные.

Узел - совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций.

Различают два типа узлов ЭВМ:

- комбинационные;

- накапливающие (с памятью).

В свою очередь комбинационные узлы включают сумматоры, схемы сравнения, шифраторы, дешифраторы, мультипликаторы, программируемые логические матрицы и т.д.

Накапливающие узлы - триггеры, регистры, счётчики и т.п.

В цифровых устройствах переменные и соответствующие им сигналы изменяются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени. Временной интервал между соседними моментами времени называется тактом.

Информация в элементах ЭВМ может обрабатываться в последовательном или параллельном коде. При последовательном коде каждый временной такт предназначен для обработки одного разряда слова. При этом все разряды слова фиксируются по очереди одним и тем же элементом.

При параллельной обработке информации код слова развертывается не во времени, а в пространстве, т.к. значения всех разрядов обрабатываются одновременно за один такт.

ЭВМ 3-го поколения строились на основе базовых логических элементов (ЛЭ). Например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Важнейшими характеристиками любого базового логического элемента является быстродействие и потребляемая мощность. В зависимости от рассеиваемой мощности различают следующие ЛЭ:

-микроватные Р до 300 мкВт;

- маломощные Р до 3 мВт;

- средней мощности Р до 30 мВт;

- мощные Р свыше 30 мВт.

По величине среднего времени задержки ЛЭ разбиваются на группы:

- низкое быстродействие tз > 50 нс, Р = 0,01-1 мВт;

- среднее быстродействие tз = 10-50 нс, Р = 1-10 мВт;

- высокое быстродействие tз = 5-10 нс, Р = 10-50 мВт;

- сверхвысокое быстродействие tз < 5 нс, Р = 50-1000 мВт.

Каждый ЛЭ кроме того характеризуется величиной напряжения

, соответствующим уровням логических ''0" и ''1", коэффициентом объединения по входу, коэффициентом разветвления по выходу.

ЛЭ объединяются в группы (серии) интегральных микросхем, например, серии К155, К500, К176 и др.

Для всех ЛЭ повышение быстродействия сопровождается ростом энергопотребления, а повышение плотности размещения элементов на кристалле - снижением быстродействия.

2 Узлы комбинированного типа.

Сумматор. Для понимания принципов построения и функционирования сумматора рассмотрим пример сложения двоичных чисел:

В каждом i разряде одноразрядный сумматор должен формировать сумму Si и перенос в старший разряд.

Различают полусумматор HS (не учитывает сигнал переноса) и полный сумматор SM (учитывает сигнал переноса).

Полусумматор Полный сумматор Многоразрядный

сумматор

Хi – входы

Si – выходы

Рi – перенос

Кодепреобразователь – это комбинационное устройство (КУ), имеющее m входов и n выходов и преобразующее входные m- разрядные двоичные числа в выходные n- разрядные. Чаще всего используются 2 вида - шифраторы и дешифраторы.

Дешифратор (ДС) - это КУ с m -входами и выходами, формирующие ''1'' только на одном из выходов, десятичный номер которого соответствует входной десятичной комбинации. Работа ДШ задается таблицей истинности.

Шифратор (СД) - решает обратную приведенной раньше задаче.

Мультиплексор (MUX) - это КУ, которое осуществляет коммутацию одного из своих входов Х на единственный выход У. Подключение входа к выходу, как правило, осуществляется в момент подачи на синхронизирующий вход с тактового импульса, а номер подключаемого к выходу входа определяется адресным кодом, подающимся на адресные входы мультиплексора А.

Демультиплексор (ДМХ) решает обратную задачу.

Обозначение MUX, ДМХ приведено на рисунке:

Коммутатор - это КУ с m входами и n выходами, которое по заданным адресам А входа и B выхода соединяет между собой требуемые вход и выход.

Программируемая логическая матрица - универсальная комбинационная схема для преобразования входного n- разрядного двоичного кода в выходной m- разрядный код по заданной таблице истинности. Широко используются в устройствах управления микропроцессоров.

Схемы сравнения - необходимы для организации ветвящихся процессов обработки данных и т.д. (см. рис.).

3 Узлы накапливающего типа.

В качестве запоминающих элементов ЭВМ используются триггеры или устройства на основе магнитных материалов.

Триггер - это конечный автомат, который обладает двумя устойчивыми состояниями и под воздействием управляющего сигнала переходит из одного состояния в другое.

По функциональному назначению различают RS, Т, JK, D - триггеры, комбинированные RST-триггеры, JKRS, DRS -триггеры и т.п. При этом применяют обозначения S, R - входы для раздельной установки триггера в состояние "1"(S) и "0"(R).

Т - счетный вход триггера.

J, k - входы для раздельной установки Jk триггера в состояние "1" (J) и "0" (k).

D - вход для установки триггера в состояние "1" или "0" с временной задержкой относительно момента появления информационного сигнала.

С - вход синхронизации.

Состояние триггера определяется сигналом Q на его прямом выходе. Законы функционирования триггеров задаются таблицами переходов с компактной записью, при которой в столбце состояний может быть указано, что новое состояние совпадает с предыдущим либо является его отрицанием.

Рассмотрим RS - триггер. Асинхронный (не синхронизируемый) RS - триггер на интегральных элементах ИЛИ - НЕ приведен на рисунке:

Триггер образуется из 2-х элементов ИЛИ - НЕ, соединенных таким образом, что возникают положительные обратные связи, благодаря которым в устойчивом состоянии выходной транзистор одной из схем ИЛИ - НЕ закрыт, а другой открыт.

Таблица переходов RS - триггера:

Функционирование RS-триггера может быть описано выражением:

Качество работы триггеров оценивается основными показателями – такими, как быстродействие, нагрузочная способность, потребляемая мощность, помехоустойчивость.

Дополняя RS-триггер входной комбинационной схемой, можно построить любой вид триггера.

Чтобы иметь возможность синхронизировать работу узлов и устройств ЭВМ, используют синхронные триггеры, имеющие специальный вход для синхроимпульсов. Если момент срабатывания асинхронного триггера привязан к моменту изменения уровня входных сигналов, то для синхронного - к моменту поступления синхроимпульсов.

Двуступенчатые триггеры позволяют избежать сбоев при записи или считывании информации в одном такте: первая ступень осуществляет запись по переднему фронту тактового импульса, а вторая - выдачу (перезапись во вторую ступень) по заднему фронту.

Т – триггер изменяет свое состояние при приходе каждого импульса, т.е. он их считает. Используется для построения счётчиков.

Регистры. Предназначены для записи, хранения и преобразования в них двоичных чисел. В качестве элементарной ячейки регистра используется триггер, который может хранить одноразрядное двоичное число. Запись и считывание информации в регистр может производиться последовательно (поразрядно) или параллельно (всеми разрядами одновременно). В соответствии с этим различают регистры последовательные, параллельные, последовательно-параллельные, параллельно-последовательные и универсальные.

Счётчик. Функциональный узел, предназначенный для подсчета числа получивших на его вход сигналов (импульсов) и фиксации результата в виде многоразрядного двоичного числа.

Счётчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

---

Дата добавления: 2015-07-18