1  Арифметические  и  логические  основы  эвм

1.1  Арифметические  основы  ЭВМ

В настоящее время в обыденной жизни для кодирования числовой информации  используется  десятичная  система  счисления  с  основанием  10,  в  которой  используется 10 элементов обозначения: числа 0,1,2,…8,9.  В  первом (младшем) разряде указывается число единиц,  во  втором – десятков,  в  третьем – сотен  и  т. д.;  иными  словами, в каждом следующем разряде вес разрядного коэффициента увеличивается в 10 раз.

В  цифровых  устройствах  обработки  информации  используется двоичная  система  счисления  с  основанием  2,  в  которой  используется  два  элемента  обозначения:  0  и  1.  Веса  разрядов  слева  направо  от  младших  разрядов  к  старшим  увеличиваются  в  2  раза,  то есть  имеют  такую  последовательность: 8421. В общем виде эта последовательность  имеет  вид:

и  используется  для  перевода  двоичного  числа  в  десятичное.  Например,  двоичное  число  101011  эквивалентно  десятичному  числу  43:

                 

В  цифровых  устройствах  используются  специальные  термины  для  обозначения различных  по  объёму единиц  информации:  бит,  байт,  килобайт,  мегабайт  и  т. д.

Бит  или  двоичный  разряд  определяет  значение  одного  какого-либо  знака  в  двоичном  числе.  Например,  двоичное  число  101  имеет  три  бита  или  три  разряда.  Крайний  справа  разряд, с  наименьшим  весом,  называется  младшим,  а  крайний  слева, с  наибольшим  весом, – старшим. 

Байт  определяет  8-разрядную  единицу  информацию,  1байт=2³ бит,  например,  10110011  или  01010111  и  т. д., ,  

Для  представления  многоразрядных  чисел  в  двоичной  системе  счисления  требуется  большое  число  двоичных  разрядов.  Запись  облегчается,  если  использовать  шестнадцатеричную  систему  счисления. 

Рекомендуемые материалы

Основанием  шестнадцатеричной  системы  счисления  является  число  16=,  в  которой  используется  16  элементов  обозначения:  числа  от  0  до  9  и  буквы  А,B,C,D,E,F.  Для  перевода  двоичного  числа  в  шестнадцатеричное  достаточно  двоичное  число  разделить  на  четырёх – битовые  группы:  целую  часть  справа  налево,  дробную – слева  направо  от  запятой.  Крайние  группы  могут  быть  неполными.

Каждая  двоичная  группа  представляется  соответствующим  шестнадцатеричным  символом  (таблица  1).  Например,  двоичное  число  0101110000111001  в  шестнадцатеричной  системе  выражается  числом  5С39.

Пользователю  наиболее  удобна  десятичная  система  счисления.  Поэтому  многие  цифровые  устройства,  работая  с  двоичными  числами,  осуществляют  приём  и  выдачу  пользователю  десятичных  чисел.  При  этом  применяется  двоично – десятичный  код.

Двоично – десятичный  код  образуется  заменой  каждой  десятичной  цифры  числа  четырёхразрядным  двоичным  представлением  этой  цифры  в  двоичном коде  (См.  таблицу  1).  Например,  число  15  представляется  как  00010101 BCD  (Binary  Coded  Decimal).  При  этом  в  каждом  байте  располагаются  две  десятичные  цифры.  Заметим,  что  двоично–десятичный  код  при  таком  преобразовании  не  является  двоичным  числом,  эквивалентным  десятичному  числу.

1.2  Логические  основы  ЭВМ

Раздел  математической  логики,  изучающий  связи  между  логическими  переменными,  имеющими  только  два  значения,  называется  алгеброй  логики. Алгебра  логики  разработана  английским  математиком  Дж.  Булем  и  часто  называется  булевой  алгеброй.  Алгебра  логики  является  теоретической  базой  для  построения  систем  цифровой  обработки  информации.  Вначале  на  основе  законов  алгебры  логики  разрабатывается  логическое  уравнение  устройства,  которое  позволяет  соединить  логические  элементы  таким  образом,  чтобы  схема  выполняла  заданную  логическую  функцию.

Таблица  1 – Коды  чисел  от  0  до  15

1.2.1 Основные  положения  алгебры  логики

Различные  логические  переменные  могут  быть  связаны  функциональными  зависимостями.  Функциональные  зависимости  между  логическими  переменными  могут  быть  описаны  логическими  формулами  или  таблицами  истинности. 

В  общем  виде  логическая  формула  функции  двух  переменных  записывается в  виде:    где  входные  переменные.

В  таблице  истинности  отображаются  все  возможные  сочетания  (комбинации)  входных  переменных  и  соответствующие  им  значения  функции  у,  получающиеся  в  результате  выполнения  какой  либо  логической  операции.  При  одной  переменной  полный  набор  состоит  из  четырёх  функций,  которые  приведены  в  таблице  2. 

Таблица  2 – Полный  набор  функций  одной  переменной

У1 – Инверсия,  У2 – Тождественная  функция, У3 – Абсолютно  истинная  функция и  У4 – Абсолютно  ложная  функция.

Инверсия  (отрицание)  является  одной  из  основных  логических  функций,  используемых  в  устройствах цифровой  обработки  информации. 

При  двух  переменных  полный  набор  состоит  из  16  функций,  однако  в  цифровых  устройствах  используются  далеко  не  все.

Основными  логическими  функциями  двух  переменных,  используемыми  в  устройствах  цифровой  обработки  информации  являются:  дизъюнкция  (логическое  сложение),  конъюнкция  (логическое  умножение),  сумма  по  модулю  2  (неравнозначность),  стрелка  Пирса  и  штрих  Шеффера.  Условные  обозначения  логических  операций,  реализующих  указанные  выше  логические  функции  одной  и  двух  переменных,  приведены  в  таблице  3

Таблица  3  Названия  и  обозначения  логических  операций

Операцию инверсии  можно  выполнить  чисто  арифметически:    и  алгебраически:    Из  этих  выражений  следует,  что  инверсия x,  т. е.   дополняет  x  до  1.  Отсюда  и  возникло  ещё  одно  название  этой  операции – дополнение.  Отсюда  же  можно  сделать  вывод,  что  двойная  инверсия  приводит  к  исходному  аргументу,   т.е.     и  это  называется  законом  двойного  отрицания.

Таблица 4 – Таблицы  истинности  основных  функций  двух  переменных

 

Дизъюнкция.  В  отличие  от  обычного  арифметического  или  алгебраического  суммирования  здесь  наличие  двух  единиц  даёт  в  результате  единицу.  Поэтому  при  обозначении  логического  суммирования  предпочтение  следует  отдать  знаку (v)  вместо  знака  (+)  [1].

Первые  две  строчки  таблицы  истинности  операции  дизъюнкции  (x1=0)  определяют  закон  сложения  с  нулём:  x v 0 = x,  а  вторые  две  строчки  (x1 = 1) – закон  сложения  с  единицей:  x v 1 = 1.

Конъюнкция.  Таблица  4  убедительно  показывает  тождественность  операций  обычного  и  логического  умножений.  Поэтому в  качестве  знака  логического  умножения  возможно  использование  привычного  знака  обычного  умножения  в  виде  точки  [1].

Первые  две  строчки  таблицы  истинности операции  конъюнкции  определяют закон умножения на ноль: x·0 = 0, а вторые две – закон умножения на  единицу:  x·1 = x.

Исключающее  ИЛИ.  Под  функцией  «Исключающее  ИЛИ»  понимают  следующее:  единица  на  выходе  появляется  тогда,  когда  только  на  одном  входе  присутствует  единица.  Если  единиц  на  входах  две  или  больше,  или  если  на  всех  входах  нули,  то  на  выходе  будет  нуль.

Надпись  на  обозначении  элемента  ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ  ИЛИ  «=1»  (Рисунок 1,г)  как  раз  и  обозначает,  что  выделяется  ситуация,  когда  на  входах  одна  и  только  одна  единица.

Эта  операция  аналогична  операции  арифметического  суммирования,  но,  как  и  другие  логические  операции,  без  образования  переноса.  Поэтому  она  имеет  другое  название  сумма  по  модулю  2  и  обозначение  ,  сходное  с  обозначением  арифметического  суммирования.

Стрелка  Пирса  и  штрих  Шеффера.  Эти  операции  являются  инверсиями  операций  дизъюнкции  и  конъюнкции  и  специального  обозначения  не  имеют.

Рассмотренные  логические  функции  являются  простыми  или  элементарными,  так  как  значение  их  истинности  не  зависит  от  истинности  других  каких  либо  функций,  а  зависит  только  от  независимых  переменных,  называемых  аргументами.

В  цифровых  вычислительных  устройствах  используются  сложные  логические  функции,  которые  разрабатываются  на  основе  элементарных  функций. 

Сложной  является  логическая  функция,  значение  истинности  которой  зависит  от  истинности  других  функций.  Эти  функции  являются  аргументами  данной  сложной  функции.

Например,  в  сложной  логической  функции    аргументами  являются    и  .

1.2.2  Логические  элементы

Для  реализации  логических  функций  в  устройствах  цифровой  обработки  информации  используются  логические  элементы.  Условные  графические  обозначения  (УГО)  логических  элементов,  реализующих  рассмотренные  выше  функции,  приведены  на  рисунке  1.

Рисунок  1 – УГО  логических  элементов:  а) Инвертор,  б) ИЛИ,  в) И,

г) Исключающее  ИЛИ,  д) ИЛИ-НЕ,  е) И-НЕ.

Сложные  логические  функции  реализуются  на  основе  простых  логических  элементов,  путём  их  соответствующего  соединения  для  реализации  конкретной  аналитической  функции.  Функциональная  схема  логического  устройства,  реализующего  сложную   функцию, ,  приведённую  в  предыдущем  параграфе,  приведена на  рисунке  2.

Рисунок  2 – Пример  реализации  сложной  логической  функции

Как  видно  из  рисунка  2,  логическое  уравнение  показывает,  из  каких  ЛЭ  и  какими  соединениями  можно  создать  заданное  логическое  устройство.

Поскольку  логическое  уравнение  и  функциональная  схема  имеют  однозначное  соответствие,  то  целесообразно   упростить  логическую  функцию,  используя  законы  алгебры  логики  и,  следовательно,  сократить  количество  или  изменить  номенклатуру  ЛЭ  при  её  реализации.

1.2.3 Законы  и  тождества  алгебры  логики

Математический  аппарат  алгебры  логики  позволяет  преобразовать  логическое  выражение,  заменив  его  равносильным  с  целью  упрощения,  сокращения  числа  элементов  или  замены  элементной  базы.

Законы:

1  Переместительный: X v Y = Y v X;   X · Y = Y · X.

2  Cочетательный: X v Y v Z = (X v Y) v Z = X v (Y v Z);

                                    X · Y · Z = (X · Y) · Z = X· (Y· Z).

3   Идемпотентности:  X v X = X;    X · X = X.

4   Распределительный: (X v Y)· Z  =  X· Z v Y· Z.

5 Двойное  отрицание: .

6 Закон  двойственности  (Правило  де  Моргана):

Для  преобразования  структурных  формул  применяется  ряд  тождеств:

X v X · Y= X;   X(X v Y) = X – Правила  поглощения.

Люди также интересуются этой лекцией: 18 Особенности организации выставок изделий ДПТ.

X· Y v X· = X,  (X v Y)·(X v ) = X – Правила  склеивания.

  Правила  старшинства  логических  операций.

1 Отрицание – логическое  действие  первой  ступени.

2 Конъюнкция – логическое  действие  второй  ступени.

3 Дизъюнкция – логическое  действие  третьей  ступени.

Если  в  логическом  выражении  встречаются  действия  различных  ступеней,  то  сначала  выполняются  первой  ступени,  затем  второй  и  только  после  этого  третьей  ступени.  Всякое  отклонение  от  этого  порядка  должно  быть  обозначено  скобками.