 |
Устройства обработки информации
|
|
|
|
Базовая система элементов компьютерных систем
КС используют естественное представление чисел в позиционной системе счисления, поэтому при построении базовых элементов очень большое значение имеет выбор основания системы счисления. Как уже говорилось выше (см. главу 1), для построения цифровых устройств была выбрана двоичная система счисления. Одним из преимуществ двоичного представления являлось и то, что для проектирования устройств можно было использовать мощный аппарат алгебры логики – булевых функций.
При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трёх функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рис. показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в  |
зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица – высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.
Функциональные узлы компьютерных систем
Элементы памяти
Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер или защёлка. Оно строится на основе базового набора логических схем. На рис. 2.3 показана схема триггера. Он собран на четырех логических элементах: два элемента "логическое НЕ" (схемы 1 и 2)и два элемента "логическое
 |
И-НЕ" (схемы 3 и 4). Два последних элемента представляют собой комбинацию логических элементов "логическое И" и "логическое НЕ". Такой элемент на входе выполняет операцию логического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода
. Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере. Выход 
используется при необходимости получить инверсное значение сигнала. Входы S и R, предназначены для записи в триггер одного бита со значением ноль или единица.|
|
|
Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе Q низкий уровень сигнала). Единица на выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддерживают состояние выхода схемы 3 в состоянии нуля (
). В свою очередь, ноль на выходе схемы 3 поддерживает единицу на выходе схемы 4 (
). Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.
Для записи в триггер единицы подадим на вход S единицу. На выходе схемы 1 получится ноль, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль (). Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на её выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 всё равно будет высокий уровень. То есть триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входе S необходимо удерживать время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входе S устанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходе Q,, то есть сохраняет записанную в него единицу.Точно так же, подав единичный сигнал на вход R можно записать в триггер ноль. Условное обозначение триггера показано на рис. 2.5. 
Регистры
Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а так же выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называются регистрами.
|
|
|
Регистр представляет собой набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64- разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. На рис. 2.6 приведена схема регистра хранения. Регистр содержит n триггеров, образующих n разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход "Сброс". Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала "Запись". Этот сигнал открывает входные вентили (схемы "логическое И") и на тех входах х1 … хn, где присутствует единичный сигнал, произойдёт запись единицы. Чтение информации из регистра так же производится синхронно, подачей сигнала "Чтение" на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволяющие организовать такие операции как сдвиг информации (регистры сдвига) и подсчёт поступающих единичных сигналов (регистры счётчики).
Устройства обработки информации
Для обработки информации компьютер должен иметь устройство, выполняющее основные арифметические и логические операции над числовыми данными. Такие устройства называю Арифметико - Логическими Устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ представляет собой многоразрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учётом переноса из предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором. Его условное обозначение показано на рис. 2.7.
Рассмотренные выше функциональные элементы являются основными при построении схем компьютерных систем.
|
|
|
|
|
|
