Рис.4 Рис.4а

Комбинационный сумматор.

Принцип построения и работы сумматора соответствуют правила сложения двоичных цифр. Многоразрядный сумматор является регулярной комбинационной схемой, и правила его построения аналогичны правилам одноразрядного сумматора с учетом правила переноса.

Для одноразрядного сумматора процесс сложения описывается таблицей истинности и соответствующими логическими зависимостями:

Таблица истинности

, где S_i – функция одноразрядной суммы.

, P_i – функция переноса.

Структурная схема одноразрядного сумматора (полусумматора) представлен на рис. 5, обозначение на рис. 5а.

Рис. 5 Рис. 5а

Логические зависимости полусумматора и компаратора очень похожи, так как они инверсны по отношению друг к другу.

Логические зависимости полусумматора положены в основу построения многоразрядного сумматора. Таблица истинности многоразрядного сумматора отличается дополнительным входом P_i. (см. прошлую лекцию)

Логические зависимости для сумматора имеют вид:

Преобразование этих выражений приводит их к виду:

Примечание: Логические выражения для сумматора выведены в соответствии с основной таблицей истинности сложения двоичных чисел.

Структурная схема одного разряда комбинационного сумматора приведена на рис. 6, обозначение на рис.6а.

Рис. 6 Рис. 6a

Структурная схема многоразрядного сумматора приведена на рис. 7.

Рис.7.

3. Схемы с памятью

Схемы с памятью – объединение комбинационной схемы со схемой памяти в истории получило название конечный автомат Мура или триггер, имеющий вход R (Reset – сброс), для установки в нулевое состояние и S (Set – установка) – для установки элемента в единичное состояние. При отсутствии сигналов R=S=0 элемент должен сохранять свое состояние до тех пор, пока не будут получены новые сигналы R или S.

Таблица истинности для триггера имеет вид:

После целой серии преобразований можно получить для триггера логическую функцию:

По данной зависимости можно построить схему элемента памяти асинхронного RS триггера. У этих триггеров есть недостаток, отсутствие блокировки запрета. Схемы с блокировкой с помощью & элементов называются синхронными RS триггерами и их модификации T, JK, D триггеры.

• T – Триггеры со счетными входами.

• D – Триггеры с задержкой установки на 1 такт.

• JK – Триггеры с внезапным включением и выключениями.

Схема асинхронного триггера приведена на рис. 8., синхронного на рис. 9.

Рис.8 Рис. 9

Рассмотренные элементы памяти хранят только одну единицу памяти – бит. Для хранения информации о слове используются более сложные схемы называемые узлами. К типовым узлам относятся: регистры, счетчики, сумматоры. Все они принадлежат к регулярным структурам, состоящим из одинаковых параллельно работающих одноразрядных схем.

Регистр – узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдаче машинных слов, сдвига числа влево или вправо, для преобразования последовательного кода чисел в параллельный и наоборот. Регистры представляются любым множеством триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение различных операций над словами.

Счетчик – узел ЭВМ, предназначенный для подсчета поступающих на его вход сигналов и фиксации результатов в виде многоразрядного двоичного кода. В ЭВМ счетчики используются для подсчета поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичного числа. Функционально различают суммирующие, вычитающие и реверсивные счетчики.

Сумматор – узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров и регистров для хранения и преобразования кодов операций и результатов.

4. Проблема развития элементной базы.

Элементная база в значительной степени определяет быстродействие и производительность ЭВМ. Рост быстродействия определяется уровнем развития технологии.

В настоящее время используется многослойная оптическая технология, позволяющая обеспечить топологический размер проводников шириной до 0,135 мкм (микрометров). Эта технология заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу: программа - рисунок - схема. На этой основе создаются пространственная структура микросхемы. СБИС Pentium содержит 3,5*10⁶ транзисторов, размещенных в 5-ти слойной структуре.

Дальнейшие развитие микроэлектроники связывают с электронными современными технологиями, в основе которых лежат лазерная, йонная или рентгеновская литография. Это позволит выйти на размеры проводников 0,08 мкм с заменой алюминиевых проводников на медные.

Уменьшение размеров СБИС и увеличение степени их интеграции приводит к другой проблеме – отводу тепла (уменьшение размеров в 2 раза приводит к увеличению мощности рассеивания тепла в 8 раз). Поэтому проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы СБИС и долгожданный прогресс может быть обеспечен за счет новых принципов построения СБИС.

В ЭВМ будущих поколений СБИС видимо будут комплексированы в системы, где они будут работать параллельно, а управление ими будут осуществлять сверхскоростные интегральными схемы с малой степенью интеграции.

Успехов в развитии микроэлектроники можно ожидать за счет использования явления сверхпроводимости при плюсовых температурах («теплая сверхпроводимость»). При этом потребляемая и рассеиваемая мощность будет близка к 0.

Альтернативными путями в области развития элементной базы следует считать разработку компьютеров: молекулярных, био, квантовых и оптических. Идеи создания таких компьютеров основаны на:

• Стереохимическом коде молекул, способных менять этот код при воздействии током, светом (молекулярные компьютеры);

• Теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться (нейрокомпьютеры);

• Способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии, управлять которой можно с помощью электромагнитного поля (квантовые компьютеры);

• Способности света параллельно распространяться в пространстве (оптические компьютеры);