Смагин М.С. Вычислительные машины, системы и сети (1088253), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В России он был принят в качестве национального стандарта ГОСТ Р 50754-95. Verilog наоборот, является европейской разработкой,однако наиболее популярен в США. Данные языки приблизительно одинаковы по своим возможностям, хотя и различаются довольно существенно посинтаксису.Вопросы проектирования на физическом уровне подробно изучаются вкурсах электроники и электротехники. Проектирование на поведенческомуровне также требует отдельного и подробного рассмотрения. Поэтому мы18сосредоточим наше внимание на логическом и структурном уровнях проектирования.Логический уровень проектированияОсновными операционными единицами на логическом уровне проектирования являются логические элементы, реализующие различные элементарные логические функции из описанных ранее.
Точно так же, как с помощью функционально полного набора элементарных логических функцийможно описать произвольную логическую функцию, с помощью логическихэлементов, реализующих функционально полный набор функций, можно построить произвольное логическое устройство.Чаще всего для построения логических схем используются элементыИ-НЕ, либо ИЛИ-НЕ, поскольку каждый их них является функциональнополным множеством.
Это позволяет строить схемы из однотипных элементов, задавая лишь связи между ними. Однако в системах автоматизированного проектирования (САПР) для ввода схем чаще всего используется базис«И-ИЛИ-НЕ», как более привычный и понятный разработчикам. После вводасхемы, САПР автоматически преобразует её в базис элементов И-НЕ илиИЛИ-НЕ в зависимости от настройки.При разработке чертежей цифровых логических схем логические элементы изображаются на них в виде условных графических обозначений. Существует два стандарта, регламентирующих данные обозначения, – стандартANSI, принятый в США и Канаде, и стандарт DIN, принятый в Европе и Российской Федерации.
Условные графические обозначения элементов, указанные в обоих стандартах, приведены в таблице.19ANSIЛогический элементDINКонъюнкторДизъюнкторИнверторПомимо логических элементов, при работе на логическом уровне, враспоряжении разработчика находится однобитовый элемент памяти, который называется триггер или, по-английски flipflop. Триггер может хранитьтолько два значения сигнала, поступающего на информационный вход, – 0или 1.
Т.е. в каждый момент времени триггер может находиться только в одном из двух состояний. Такая особенность работы триггера шутливо обыгрывается в его английском названии, − триггер может находиться только или всостоянии “flip” или в состоянии “flop”.Схемы, состоящие исключительно из логических элементов называюткомбинационными. Если же в схеме, помимо логики, присутствуют ещё итриггеры, то такая схема называется последовательностной.Рис.2 D-триггер. Условное графическое обозначение.Наиболее распространённый тип триггера, D-триггер, сохраняет значение, присутствующее у него на информационном входе в моменты изменения значения специального сигнала, называемого синхросигналом.
Синхросигнал постоянно меняет своё значение из нуля в единицу и обратно. Еслидлительность пребывания сигнала в единичном и в нулевом состоянии совпадают, то такой сигнал называют «меандром», поскольку его временная20диаграмма похожа на узор, найденный в одноимённом древнегреческом городе.Рис.3 Временная диаграмма сигнала типа меандрСовременные триггеры чаще всего делаются срабатывающими по положительному фронту синхросигнала, т.е в момент перехода сигнала из состояния 0 в состояние 1.Рис.4 Временная диаграмма работы D-триггера,работающего по положительному фронту синхросигналаОтрезок времени между двумя такими переходами называется длительностью такта.
А частота следования синхросигналов называется тактовойчастотой. Таким образом, если тактовая частота процессора равняется одному гигагерцу, то это значит, что за секунду на синхровход процессора поступает один миллиард тактовых импульсов.21Рис.5 Характеристики синхросигналаДлительность такта вычислительного устройства определяется максимально длинной цепочкой логических элементов между двумя триггерами.Сокращение и уменьшение таких цепочек позволяет повысить тактовую частоту работы процессора.Структурный уровень проектированияТеперь давайте разберёмся со структурным уровнем проектирования.На этом уровне разработчики используют следующие виды элементов:1. Операционные элементы (Сумматоры, умножители, счётчики)2.
Элементы памяти (регистры)3. Комбинационные элементы (мультиплексоры, дешифраторы, преобразователи кодов)К операционным элементам, как следует из названия, относятся узлы,реализующие основные математические операции, − сумматоры, которые длячисел в дополнительном коде реализуют и функцию вычитания, и умножители. Устройства, выполняющие вычитание, реализуются на сумматорах путёмсмены знака одного из слагаемых. Проблема создания устройств, реализующих операцию деления, не решена полностью до сих пор.
На практике ихстроят либо в виде записанной в элементы памяти таблицы истинности (есличисло операндов невелико), либо в виде сложных устройств, построенных изумножителей и сумматоров.22Ещё одним видом операционных устройств являются счётчики. Этоцифровые устройства с памятью, которые в каждый момент времени хранятцифровой код, называемый кодом состояния счётчика. При поступленииуправляющих сигналов и сигналов синхронизации, счётчик меняет код своего состояния, который хранит до следующего такта синхронизации. Простейшие счётчики осуществляют последовательный перебор чисел в двоичной системе счисления, каждый раз увеличивая код состояния на единицу, исбрасываясь в ноль по достижению предела счёта. Более сложные счётчикимогут последовательно перебирать произвольные коды, менять очерёдностьих следования в зависимости от управляющих сигналов, загружать значениякодов, подаваемые на вход, сбрасываться в ноль или устанавливать заранеезаданное кодовое значение.Элементы памяти используются для хранения чисел в двоичном формате.
В качестве элементов памяти в современных вычислительных машинахиспользуются однобитовые триггеры и построенные на триггерах многобитовые элементы памяти − регистры.Комбинационные элементы – мультиплексоры, дешифраторы и преобразователи кодов. Они не имеют встроенной памяти и представляют собойкомбинационные схемы, построенные на элементарных логических элементах, использующихся на логическом уровне проектирования.Мультиплексоры имеют две группы входов, − информационные иуправляющие.
Управляющие входы служат для указания номера входа, сигнал с которого будет подан на выход мультиплексора. Соответственно любоймультиплексор имеет n управляющих входов, 2n информационных входов иодин выход. Часто в повседневной речи и научных публикациях характеристики мультиплексора описываются в виде словосочетания «X-в-1», где Х –количество информационных входов.23Рис.6 Мультиплексор «4-в-1».
Условное графическое обозначение.У дешифратора, или, как его ещё называют, декодера, имеются толькоуправляющие входы. Подаваемое на них число является номером выхода, накоторый будет послана единица. Таким образом, любой дешифратор имеет nвходов и 2n выходов.Рис.7 Дешифратор «3-в-8». Условное графическое обозначение.Преобразователи кодов же имеют только информационные входы. Ихфункционал заключается в том, что в зависимости от набора сигналов навходе они выдают некий сигнал на выходе. Фактически преобразователи кодов являются комбинационными схемами.При проектировании на логическом уровне, инженерам приходилосьсамим заниматься их разработкой, заполнять таблицы истинности и, с помощью специальных алгоритмов, например карт Карно или диаграмм Вейча,строить логические схемы.
На структурном уровне проектирования достаточно задать таблицу истинности в системе автоматизированного проектирования, а дальше схема будет рассчитана автоматически.24Лекция №3Структура цифровых вычислительных устройствТеперь посмотрим, как из узлов, описанных в предыдущей лекции,компонуется простейшее вычислительное устройство. Теоретической концепцией, описывающей устройство абсолютного большинства современныхвычислительных машин, является так называемая «Архитектура фон Неймана».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
