Горнец Н.Н., Рощин А.Г. Организация ЭВМ и систем (2006), страница 8

Несмотря на кажущуюся примитивность логики работы комбинационных схем, все основные преобразования информации в компьютере выполняются с их помощью. Это объясняется тем, что в основе преобразования данных в компьютере заложено выполнение логических операций. Автоматы с памятью состоят из логических элементов и элементов памяти (рис.

3.1, б). Информация, записанная в памяти автомата, называется состоянием автомата (Д). Выходной сигнал автомата в общем случае зависит от сигнала на входе и состояния автомата, поэтому при одном и том же входном сигнале автомат 'т'=У(Х Щ У=У(Х) Рис. 3.1. Комбинационные схемы и автоматы с памятью: а — комбинационная схема; б — автомат с памятью 35 может выдавать различные выходные сигналы. При работе автомата в его памяти накапливается обобщенная информация о всех входных сигналах, поступивших к данному моменту времени, поэтому состояние автомата и выходной сигнал зависят от всей предыстории входных сигналов. Наличие памяти позволяет автомату выполнять не только отдельные операции, но и последовательности взаимосвязанных операций, т.е.

заданные алгоритмы обработки данных. Компьютер в целом представляет собой сложный автомат с памятью большой емкости. Для понимания организации компьютера и процессов преобразования информации в нем необходимо изучить логику работы его составных частей, прежде всего состав и работу элементов и типовых узлов. 3.2. Логические элементы Логические элементы выполняют преобразования информации, которые описываются логическими функциями. Логическая функция и ее аргументы могут принимать только два значения: «О» и «1». Зависимость значений логической функции от значений ее аргументов можно задать с помощью таблицы истинности (табл. 3.1). Логическая функция И (логическое умножение, конъюнкция) Г(х„хт) = х, х, принимает значение «1», если оба аргумента равны «1», а функция ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция) Г(хь х1) = х, ~~ хз — если один или несколько аргументов равны «1», Функция НЕ (инверсия, отрицание) принимает значение «1», если аргумент равен «О» и наоборот.

Таким образом, значения функций И, ИЛИ и НЕ определяются в соответствии с обычным смыслом слов «и», «или» и «не». Число входов элементов ИЛИ и И совпадает с числом аргументов соответствующей функции. Условные графические обозначения (УГО) элементов И, ИЛИ и НЕ на функциональных схемах приведены на рис. 3.2. Таблица 3.1 Таблица истиццостк логическвх функций двух аргументов 36 Условное графическое обозначение элемента выполняют в виде прямоугольника, в левом верхнем углу которого указыва- Входы а Ь с Выход УмаЬс Вх Входы ЕьсЬс Выход а с Ж- Выход Еьачьчс Рнс. 3.3. Логические элементы И вЂ” НЕ, ИЛИ вЂ” НЕ: л — обозначение элемента И вЂ” НЕ натри входа; б — обозначение элемента ИЛИ— НЕ на три входа; в — принципиальная электрическая схема элемента И вЂ” НЕ транзисторно-транзисторной логики; г — принципиальная электрическая схема элемента И вЂ” НЕ на МОП-транзисторах 37 ют обозначение выполняемой а б в функции.

Входы элемента обозначают линиями слева, выхо- Рнс. 3.2. Логические элементы: ды — справа. а — элемент И на два входа; б — злеЭлементы И, ИЛИ и НЕ со- мент ИЛИ на два входа; е — элемент ставляют функционально полную систему, т.е. из них можно составить любую комбинационную (логическую) схему.

Логические элементы, выполненные в виде интегральных схем, обычно реализуют логические функции И вЂ” НЕ (штрих Шеффера) или ИЛИ вЂ” НЕ (стрелка Пирса). Каждый из этих элементов обладает свойством функциональной полноты. Обозначения элементов И вЂ” НЕ и ИЛИ вЂ” НЕ на функциональных схемах, а также примеры их реализации приведены на рис. 3.3. Элементы И на два входа часто используют в качестве ключей (вентилей), которые управляют передачей данных между двумя схемами (рис. 3.4).

При передаче одноразрядных данных (см. рис. 3.4, а) один вход элемента И является информационным, а второй — управляющим. На информационный вход поступают одноразрядные дан- в А д в «пе даты а Рнс. 3.4. Схемы передачи данных: а — одноразрядных; б — многоразрядных ные Р от источника А. Если на управляющем входе сигнал «Передать» равен «О», то на приемник В поступает сигнал «О» независимо от значения данных Р. Если сигнал «Передать» равен «1», то сигнал на выходе элемента И совпадает с информационным сигналом и на вход приемника поступают данные Р.

При передаче многоразрядных данных (см. рис. 3.4, б) каждый разряд данных проходит через отдельный элемент И, а сигнал «Передать» подается одновременно на управляющие входы всех ключей. 3.3. Триггеры Общие сведения о триггерах. Для хранения информации в компьютере могут использоваться различные типы элементов памяти. В зависимости от способа хранения информации элементы памяти могут быть статическими, позволяющими хранить двоичную информацию сколь угодно долго, и динамическими, хранящими информацию в течение ограниченного отрезка времени. Для длительного хранения информации в динамических элементах памяти необходимо периодически восстанавливать ее (регенерировать).

Динамические элементы памяти применяют при построении устройств памяти. Здесь рассматриваются статические элементы памяти, которые используют в схемах процессора. В качестве статических элементов памяти в настоящее время применяют триггеры. Основу триггера составляет бистабильная ячейка, имеющая два устойчивых состояния. Бистабильные ячейки могут быль построены на двух логических элементах И вЂ” НЕ нли ИЛИ вЂ” НЕ, соединенных перекрестными связями (рис. 3.5). Существование двух устойчивых состояний бистабильной ячейки объясняется наличием в ее схеме обратных связей, позволяющих сигналу с выхода элемента поступать на его же вход через второй элемент.

Так, если на рис. 3.5, а сигнал на верхнем выходе равен 38 Рнс. 3.5. Бнстабнльная ячейка: а — на элементах ИЛИ вЂ” НЕ; б — на элементах И вЂ” НЕ «1» и на оба входа подается сигнал «О», то сигнал «1» с выхода элемента 1 поступает на вход элемента 2 и формирует на его выходе сигнал «О». Этот сигнал поступает на вход элемента 1 и поддерживает такое состояние схемы, делая его устойчивым. В этом состоянии на выходе элемента 1 сигнал равен «1», а на выходе элемента 2 сигнал равен «О». Для изменения состояния схемы необходимо подать на верхний вход элемента 1 сигнал «1», При этом на выходе элемента 1 сигнал становится равным «О».

Тогда на выходе элемента 2 формируется сигнал «1», который вместе с единичным входным сигналом устанавливает выходной сигнал элемента 1 равным «О» Такое состояние схемы также является устойчивым и после того, как сигнал на входе элемента 1 станет равным «О». В этом состоянии на выходе элемента 1 сигнал равен «О», а на выходе элемента 2 — «1». При поступлении сигнала «1» на вход элемента 2 происходит возвращение схемы в начальное состояние.

Таким образом, схема имеет два устойчивых состояния, которые можно устанавливать подачей сигнала «1» на вход элемента 1 или 2. Аналогично работает бистабильная ячейка на элементах И вЂ” НЕ (см. рис. 3.5, б). Триггер — это цифровая электронная схема с двумя устойчивыми состояниями, которые устанавливаются при подаче соответствующей комбинации входных сигналов и сохраняются. Кроме бистабильной ячейки в состав триггера входит схема Управления (рис. 3.6). Схема управления — это комбинационная схема, при помощи которой осуществляется запись информации в триггер (изменение состояний триггера).

Конкретный вид схемы управления зависит от типа триггера. Триггер имеет два выхода: прямой и инверсный (О и Д). Сигналы на выходах триггера всегда имеют различные значения. Если на прямом выходе сигнал равен «1», то на инверсном — «О» и наоборот. Состояние триггера определяется значением сигнала на 39 Рис. 3.6. Общая структура триггера прямом выходе (Д).

Если сигнал на прямом выходе равен «1», то триггер находится в состоянии «1». Можно также сказать, что состояние триггера — это информация, записанная в триггере. Таким образом, если триггер находится в состоянии «1», то в нем записана единица. Триггеры могут быть асинхронными или синхронными. В асинхронных триггерах используются только основные или информационные входы. Изменение состояния асинхронного триггера может происходить в произвольные моменты времени, определяемые изменениями сигналов на информационных входах. В синхронных триггерах кроме информационных входов имеется вход синхронизации.

На этот вход подается сигнал синхронизации С, который выполняет функции сигнала, разрешающего переключение триггера из одного состояния в другое. Если сигнал синхронизации С равен «О», то состояние синхронного триггера не изменяется при любой комбинации сигналов на информационных входах. Для переключения синхронного триггера необходимо подать на информационные входы определенную, зависящую от типа триггера, комбинацию сигналов и„кроме того, установить значение сигнала С, равное «1». Логика переключения триггера определяется его типом и зависит от числа и назначения входов.

Наиболее часто в цифровой технике используют Яэ"-, ХК-„2)- и Т-триггеры, а также комбинированные триггеры. Буквами Я, о", У, К, Ю и Т обозначаются информационные входы триггеров (Х). Асинхронный Яа-триггер. Он имеет два информационных вхоПереходы Яа-триггера да — Я и 5. Вход 5 (гег) используется для установки триггера в состояние «1», а вход Я (гевег)— в состояние «О», поэтому ЯЮ- триггер называют триггером с установочными входами.

Работу триггера описывает таблица переходов (табл. 3.2). Входами служат значения входных сигналов Я и о, а так- 40 Таблица З.З 41 ;ке значения состояний триггеРа в текУщий момент вРемени Табл пе ходов ЯЯ-тр ра (!7,). В таблице переходов приведены значения состояний триг- Тсхущсс Слсяующсс Входы гера в следующии момент вре- состояние состояние мени (9,~). Переходы триггера 0,~ из одного состояния в другое происходят, если на вход Я или 0 э подается сигнал «1», О 0 ! 1 При Я = 0 и 5 = 0 состояние триггера не меняется. Такой режим называется режимом храие- О 1 1 1 ния. В случае если Я = 0 и Ю = 1 триггер переходит в состояние «1» независимо от того, в каком ! О 1 О СОСТОЯНИИ он нахоДилсЯ До из- 1 1 О Зап сщснменения входных сигналов. При ная комбн- Я = 1 и Ю= 0 триггер переходит в 1 ! 1 нация состояние «0». Таким образом, для записи «1» в ЯЯ-триггер необходимо подать на его входы сигналы Я = 0 и 5 = 1, для записи «0» — сигналы Я = 1 и о = О.

Комбинация сигналов Я = 1 и о = 1 является запрещенной, состояние триггера при этом не определено. Таким образом, логика переходов Я.У-триггера аналогична логике работы электрического клавишного выключателя с двумя положениями: «Вкл» и «Выкл». Таблица переходов триггера может быть интерпретирована как таблица истинности комбинационной схемы, в которой значения ' сигналов на входах Я» о, и значение текущего состояния Д, можно рассматривать как логические переменные, а 0»1 — как логическую функцию (табл.

3.3). Я5-триггер может быть построен на различных логических элементах. Функциональная схема асинхронного Яо"-триггера, построенного на элементах И вЂ” НЕ и ИЛИ вЂ” НЕ, а также его УГО показаны на рис. 3.7. Условное графическое обозначение триггера кроме основного поля включает в себя дополнительное.