 |
Элементы устройств вычислительный систем. Вентили, триггеры, регистры, счетчики, мультиплексоры, шифраторы, дешифраторы, сумматоры.
|
|
|
|
Вычислительная система - это конкретный набор связанных между собою устройств. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.
Базовыми «строительными блоками» любых схем цифровых устройств является логические переключающиеся элементы или вентили (gates). Любые, сколь угодно сложные функции реализуются соответствующим соединением правильно выбранных вентилей.
Вентиль представляет собой электронную схему, которая формирует выходной сигнал в соответствии с простой булевой операцией преобразования сигналов в соответствии с простой булевой операцией преобразования сигналов, поданных на его входы. Как правило, в качестве функций преобразования простейших вентилей используются элементарные функции И, ИЛИ, НЕ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ.
Как правило при проектировании сложных логических схем используются не все типы вентилей, а только один или два типа. Поэтому важно знать, из каких элементарных функций можно построить любую сколь угодно сложную функцию.
В общем случае комбинационная схема имеет n двоичных входов и m двоичных выходов. Возможности конкретной схемы можно описать тремя способами:
- посредством таблицы истинности;
- посредством функциональной схемы, на которой будут изображены вентили и их соединения;
- с помощью булева выражения.
С помощью комбинационных логических схем можно реализовать многие важные функции цифровых устройств, но они не позволяют хранить информацию, а без хранения информации не может быть построено ни одно устройство. Для того, чтобы обеспечить возможность сохранения информации, в цифровых устройствах используется более сложный класс логических элементов, получивший в технической кибернетике наименование элементов с памятью или конечных автоматов. Сигнал на выходе элемента с памятью зависит не только от комбинации сигналов на его входах, но и от предыстории - текущего состояния элемента.
|
|
|
Простейшим логическим элементом с памятью является триггер. Существует множество вариантов схем триггеров, но все их объединяет наличие двух важных свойств:
- Триггер является двухстабильным элементом. При отсутствии сигналов на входах любой триггер пребывает в одном из двух состояний и остается в нем сколь угодно долго. Таким образом, триггер является элементарной ячейкой памяти емкостью 1 бит.
- Триггер имеет два выхода, сигналы на которых всегда взаимно инверсны. Принято обозначать эти выходы как Q.
Триггеры используются для построения более сложных цифровых устройств – регистров и счетчиков.
Самый распространенный тип триггера RS-триггер.
Условное графическое обозначение асинхронного RS-триггера
Логическая схема асинхронного RS-триггера на элементах 2И–НЕ
Для элемента И—НЕактивным сигналом является логический 0: наличие его хотя бы на одном входе обусловливает на выходе логическую 1 независимо от сигналов на других входах. Логическая 1 для такого элемента является пассивным сигналом: с ее поступлением на вход состояние выхода элемента не изменяется.
Нетрудно понять, что для данного триггера комбинация входных сигналов S=0, R=0 является запрещенной, а комбинация S= I, R= 1 не меняет его предыдущего состояния.
Асинхронный RS-триггер на логических элементах 2ИЛИ-НЕ
Прежде всего рассмотрим воздействие на такой триггер комбинаций сигналов
S=1, R=1 и S=0, R=0, Сочетание S=l, R=l является запрещенным, так как при нем на обоих выходах триггера устанавливаются логические 0, и после снятия входных сигналов состояние его непредсказуемо.
|
|
|
Для элемента ИЛИ-НЕ логический 0 является пассивным сигналом: с поступлением его на вход состояние выхода элемента не изменяется. Поэтому появление комбинации S=0, R=0не изменяет состояния триггера.
Логическая 1 для элемента ИЛИ-НЕ является активным сигналом; наличие ее на входе однозначно определяет на выходе логический 0 вне зависимости от сигнала на другом входе. Отсюда следует, что переключающим сигналом для рассматриваемого триггера является логическая 1. Для переключения триггера в состояние Q=1 на его входы следует подать комбинацию S=1, R=0, а для переключения в состояние Q=0 - комбинацию S=0,R=1.
Регистр — последовательное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных слов (чисел) и выполнения преобразований над ними.
Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.
Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.
Основой построения регистров являются D-триггеры, RS-триггеры.
Счетчик – увеличивает или уменьшает свое значение при поступлении
на специальный вход импульсов.
Счётчиком называется цифровой автомат, служащий для формирования многоразрядных двоичных слов (кодов) соответствующих количеству входных импульсов. По мере поступления входных импульсов счётчик последовательно перебирает свои состояния в определённом для данной схемы порядке. Длина списка используемых состояний называется модулем пересчёта М, основанием пересчёта или ёмкостью счётчика. Одно из возможных состояний счётчика принимается как начальное или нулевое. Если счётчик начал считать с начального состояния и через каждые М входных сигналов в нём снова устанавливается начальное состояние, а на выходе счётчика формируется сигнал М–ичного переноса P, то такой счётчик называется счётчиком–делителем частоты. Частота следования М-ичного переноса P в таком счётчике меньше частоты входных импульсов ровно в M раз. Различные схемы счётчиков могут перебирать свои состояния в самом различном порядке. Порядок перебора кодов состояний счётчика определяется системой кодирования состояний счётчика как цифрового автомата. Чаще всего применяются двоичные счётчики, у которых порядок смены состояний триггеров соответствует последовательности двоичных чисел. Счетчик может перебирать свои состояния в возрастающем порядке чисел и тогда он называется суммирующим. Если счётчик перебирает свои состояния в порядке убывания двоичных чисел, то он называется вычитающим. Если под действием сигналов управления порядок перебора может изменяться на противоположный, то счётчик называется реверсивным. Счётчики строятся с использованием синхронизированных триггеров. Если несколько триггеров блока памяти имеют общий синхросигнал, то они образуют синхронный счётчик. Несколько синхронных счётчиков соединённых по схеме подачи синхросигналов последовательно образуют асинхронный счётчик. В этом случае сигнал выходного переноса предыдущего счётчика используется как сигнал синхронизации последующего счётчика.
|
|
|
|
|
|
