Тема 5 Элементы и узлы ЭВМ_2010 (Все лекции Шамаевой в формате PDF)

Тема 5. Элементы и узлы ЭВМКЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЭВМ ............................................................... 1КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ ................................................................................................. 4ДЕШИФРАТОРЫ И ШИФРАТОРЫ ................................................................................................... 4КОМПАРАТОРЫ И СУММАТОРЫ ...................................................................................................7СУММАТОР ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ..................................................................................

10СУММАТОР С ГРУППОВЫМ ПЕРЕНОСОМ ....................................................................................10СХЕМЫ С ПАМЯТЬЮ...............................................................................................................10RS-ТРИГГЕР ................................................................................................................................ 11Т-ТРИГГЕР .................................................................................................................................. 14JK-ТРИГГЕР ................................................................................................................................

15D-ТРИГТЕР ................................................................................................................................. 16РЕГИСТР ..................................................................................................................................... 17СЧЕТЧИК ....................................................................................................................................18ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ..................................................................20Классификация элементов и узлов ЭВМПри рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию.

Какправило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы:устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполнеопределенным операциям преобразования информации, заложенным в программахпользователей.Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элементпредназначается для обработки единичных электрических сигналов,соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременнуюобработку группы сигналов - информационных слов.

Блоки реализуют некоторуюпоследовательность в обработке информационных слов - функциональнообособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записичтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинныхопераций и их последовательностей.В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразованиевходной информации Х в выходную У (см.

рис. 1).Рис. 1. Представление схемы ЭВМВ этом случае зависимостями yj=f(x1,x2,…,xi,…,xn),где xi – i-й вход; n – число входов; yi – iй выход; m – число выходов в устройстве, можно описывать алгоритм работы любогоустройства ЭВМ.Все современные вычислительные машины строятся на комплексах системахинтегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называетсяинтегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в единомтехнологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию изащиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собойминиатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристаллеполупроводника: кремния, германия и т.д.

В состав микропроцессорных набороввключаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый типмежмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналоввзаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основунабора обычно составляют большие БИС и даже сверхбольшие интегральныесхемы. На очереди следует ожидать появления ультра больших ИС (УБИС). Кромених обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции(СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу илиблоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логическихэлементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминаниясигналов и т.д.Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам.Наиболее часто такими признаками являются:• тип сигналов,• назначение элементов,• технология их изготовления и т.д.В ЭВМ широко применяют два способа физического представлениясигналов: импульсный и потенциальный.

При импульсном способе представлениясигналов единичному значению некоторой двоичной переменной ставится всоответствие наличие импульса (тока или напряжения), нулевому значению отсутствие импульса (рис.2., а). Длительность импульсного сигнала не превышаетодин такт синхроимпульсов.При потенциальном или статическом представлении сигналов единичнозначение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, анулевое значение - низким уровнем (рис. 2., б).Рис. 2.

Представление информации в ЭВМ: а - импульсные сигналы; б потенциальные сигналыНезависимо от вида сигналов различают последовательный и параллельныйкоды передачи и представления информации в ЭВМ.При последовательном коде представления данных используются одиночныешины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельнымразрядам данных, разнесены во времени.

Обработка такой информациипроизводится последовательно разряд за разрядом. Такой вид представления ипередачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схемобработки данных. Время же обработки определяется числом обрабатываемыхсигналов (разрядов).Параллельный код отображения и передачи информации предполагаетпараллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различныхшинах, т.е.

параллельный код данных развернут в пространстве. Это даетвозможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средствапри этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.Во всех вычислительных машинах используются и параллельнопоследовательные коды представления информации. При этом информацияотображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждаячасть данных представляется параллельным кодом.По своему назначению элементы делятся на:• формирующие,• логические и• запоминающие.К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители,усилители-формирователи и т.п. Данные элементы служат для выработкиопределенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды,полярности, мощности, длительности).В каждой ЭВМ имеются специальные блоки, формирующие сигналы тактовойчастоты, серии синхронизирующих и управляющих сигналов, координирующихработу всех схем ЭВМ.

Интервал времени между импульсами основной частотыназывается тактом. Длительность такта является важной характеристикой ЭВМ,определяющей ее потенциальную производительность. Время выполнения любойоперации ЭВМ связано с определенным числом тактов.Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии сэлементарными логическими функциями, рассмотренными ранее. В свою очередь,полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д.Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическимизависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждаятакая схема представляет собой композицию простейших логических схем.Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать ихранить код двоичной цифры (единицы или нуля).

Элементы памяти могутзапоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточныезначения обработки и окончательные результаты вычислений. Толькозапоминающие элементы в схемах ЭВМ позволяют проводить обработкуинформации с учетом ее развития.Комбинационные схемыОбработка входной информации Х в выходную У (см. рис. 1) в любыхсхемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифровыми автоматами двухвидов: комбинационными схемами и схемами с памятью.Комбинационные схемы - это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у1,у2, ..., уm) в любой момент дискретного времени однозначно определяютсясовокупностью входных сигналов Х = (х1, х2,..., хn), поступающих в тот же моментвремени t. Реализуемый в КС способ обработки информации называетсякомбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинациивходных сигналов и формируется сразу при поступлении входных сигналов.Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокоебыстродействие.

Преобразование информации однозначно описываетсялогическими функциями вида Y=f(Х).Логические функции и соответствующие им комбинационные схемыподразделяют на регулярные и нерегулярные структуры. Регулярные структурыпредполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходовстроится по аналогии с предыдущими.

В нерегулярных структурах такая аналогияотсутствует. Примером построения нерегулярной структуры может служитьразработка схемы в примере схемы, фиксирующей появление “неправильной”тетрады в двоично-десятичном представлении чисел (см.в предыдцщей лекции).В практике проектирования ЭВМ накоплен огромный опыт по синтезуразличных схем. Многие регулярные структуры положены в основу построенияотдельных ИС малой и средней степени интеграции или отдельныхфункциональных частей БИС и СБИС. Из регулярных комбинационных схемнаиболее распространены дешифраторы, шифраторы, схемы сравнения,комбинационные сумматоры, коммутаторы и др.Рассмотрим принципы построения подобных регулярных структур.Дешифраторы и шифраторыДешифраторы (ДШ) - это комбинационные схемы с п входами и m =2nвыходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов,однозначно соответствует комбинации входных сигналов.

Например, разработкаструктуры ДШ для п=3 позволяет получить таблицу истинности (табл. 1) илогические зависимости.Таблица 3.1Таблица истинности дешифратораx100001111Входыx200110011x301010101Y010000000Y101000000Выходы...Y5000…00100......Y700000001Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации паопределенному адресу, для расшифровки кода операции и др. Логическиезависимости дешифратора:На рис.3.представлены структурная схема ДШ, построенная в базисе(И, НЕ), и условное ее обозначение на принципиальных электрических схемахЭВМ.

Кружочки у линий, выходящих из логических элементов, указывают наинверсию функций, реализуемых элементами.Рис.3. Структурная схема дешифратора (а) и обозначение дешифратора напринципиальных электрических схемах (б)Шифратор (ШР) решает задачу, обратную схемам ДТП, т.