ОперационныйСинтез (775245)
Текст из файла
681.141 (075.8) С 362
УДК:681.3.066 (075.8)
Авторы: В.Б. СИЛИН, Б.С. МЕЛЬНИКОВ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. ОПЕРАЦИОННЫЙ СИНТЕЗ
Учебное пособие (Для дневной и вечерней форм обучения)
МОСКВА, Московский авиационный институт, 1982 г.
В пособии рассмотрен структурный базис операционных устройств вычислительной техники - операционные элементы комбинационного и автоматного типов. Среди рассмотренных элементов - регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры и т.д. На формальном и содержательном уровнях обсуждаются основные характеристики операционных элементов, их внутренняя организация.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящим учебным пособием по курсу "Электронные вычислительные устройства" продолжается ряд учебных пособий по цифровой технике, выпущенных на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ. В ранее изданных пособиях были рассмотрены арифметические и логические основы цифровой техники, элементы теории конечных автоматов. Как это видно, все изложенные ранее разделы могут быть отнесены к основам цифровой техники. Настоящее пособие является первым, в котором начинают рассматриваться уже более сложные, комплексные вопросы, непосредственно связанные с практическим синтезом цифровых устройств.
Развитие формальных средств, используемых специалистами по цифровой технике, идет по ряду основных направлений, одно из которых связано с разработкой аппарата так называемого операционного синтеза. Операционный синтез охватывает все вопросы по синтезу операционных структур цифровых устройств, описанию их компонентов, их связей, общего функционирования. Операционный синтез возник но только как продукт естественного развития формального аппарата, но и как результат развития элементной базы цифровой техники, ее технологии. Появление электронных компонентов со все большей степенью интеграции потребовало создания адекватного формального аппарата, оперирующего с соответствующими интегральными структурами. Аппарат операционного синтеза в связи с этим содержит в себе формальные средства представления и использования таких цифровых компонентов в интегральном исполнении, как регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и т.д., каждый из которых может включать в себя многие десятки и сотни электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов).
Важнейшей особенностью аппарата операционного синтеза является то, что он оперирует именно с теми понятиями, с которыми приходится иметь дело радиоинженерам при разработке современных сложных радиоустройств и радиосистем, содержащих встроенные цифровые цепи. Этим обстоятельством и определяется, по мнению авторов, основная ценность настоящего пособия для студентов, подготавливаемых на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ.
Пособие содержит в себе первый раздел операционного синтеза, включающий материалы по операционным элементам - структурному базису операционного синтеза. При изложении материала широко использовались современные формальные средства - язык описания операционных схем (ЯООС).
Полнота изложения соответствует программе курса "Электронные вычислительные устройства" для специальности "Конструирование и производство электронной вычислительной аппаратуры", подготавливаемой на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ. Однако пособие в полном объеме может быть использовано студентами, обучающимися и по остальным специальностям на дневном отделении факультета.
Главы 1 и 2 написаны канд. техн. наук В.Б. Силиным, главы 3, 4 и 5 - канд. техн. наук Б.С. Мельниковым.
Глава 1. ОПЕРАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.1. Иерархия структурных элементов цифровых устройств
Цифровые вычислительные устройства относятся к классу сложных устройств, содержащих значительное число самых разнообразных элементов, отличающихся друг от друга своими функциями, типом входных и выходных сигналов, внутренних состояний, компонентным составом, характером организации, образом действия и т.д. Эти элементы распределяются по определенным иерархическим уровням так, что элементы более низкого уровня являются составными частями элементов более высокого уровня.
В цифровых вычислительных устройствах можно выделить в качестве таких уровней в порядке возрастания их иерархического старшинства по крайней мере пять уровней:
1. Уровень простейших элементов комбинационной логики.
2. Уровень триггерных элементов.
3. Уровень операционных элементов.
4. Уровень операционных устройств.
5. Уровень ЭВМ.
Подобно всяким классификациям, предложенная классификация не претендует на единственность. Возможно ее расширение или детализация, основанные на учете как структур, в которые ЭВМ входят в качестве составных частей, так и новых решений, характерных для более низших иерархических уровней, связанных, например, с использованием микропроцессорных структур.
Для каждого из иерархических уровней можно выделить целый ряд характерных особенностей. Во-первых, это набор основных структур - объектов этого уровня. Во-вторых, это вид входного и выходного сигнала, который в различных случаях может рассматриваться на электрическом, логическом или содержательном уровнях как в виде единичного воздействия, так и в виде параллельных или последовательных организаций единичных сигналов (параллельных или последовательных кодов).
Третьей характерной особенностью для каждого уровня являются принципы структурной организации его объектов, т.е.правила и методы построения его структур из элементов младших иерархических уровней. Эта особенность связана с использованием некоторой математической формализации, т.е. математическим аппаратом, применяемым для представления, описания, анализа и синтеза структур этого уровня.
Естественно, что основной, главной особенностью объектов каждого уровня является функциональное преобразование, выполняемое ими над входными сигналами. Это преобразование, форма его описания самым тесным образом связаны со структурной организацией объектов, их математической формализацией. Для каждого иерархического уровня существенной особенностью, определяющей многие особенности функционирования его объектов, является элементный базис, т.е. набор компонентов, из которых создаются его структуры. В предыдущих разделах курса "Электронные вычислительные устройства" [1-3] детально были рассмотрены первые два низших уровня иерархии, в настоящем пособии обсуждается третий уровень. Потребности его обсуждения требуют некоторого краткого предварительного ознакомления с его особенностями, а также особенностями следующего уровня, уровня операционных устройств. Столь же полезным будет краткое напоминание о первых двух уровнях. Это и будет сделано ниже.
1.2. Основные особенности объектов первых четырех иерархических уровней вычислительных устройств
1.2.1. Уровень простейших элементов комбинационной логики. К этому уровню обычно относят комбинационные логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др. Часто такие элементы независимо от вида реализуемой логической функции называют вентильными элементами. В этом случае представление цифрового устройства на уровне комбинационных логических элементов называют представлением на уровне вентилей. Входные и выходные сигналы комбинационных элементов относятся к классу логических сигналов. Как правило, для описания сигналов используется двухуровневая логика (уровни логического "0" и логической "1"). Однако в последние года с целью более детального описания функционирования логических цепей и диагностики их неисправностей начинает использоваться многозначная логика. Элементы этого низшего иерархического уровня осуществляют элементарные логические операции над отдельными логическими переменными, которым не придается какого-либо содержательного смысла. Общий вид таких операций
Y(t) = F({Xi(t)}),
где Xi(t) - некоторый входной логический сигнал, определенный в момент времени t; {Хi(t)} - некоторый набор (комбинация) входных сигналов; Y(t) - выходной логический сигнал, в идеализированном случае появляющийся одновременно с подачей входных сигналов; F - некоторая функция двузначной логики.
1.2.2. Уровень триггерных элементов. Триггерные элементы являются простейшими (элементарными) конечными автоматами. В их число входят такие широко используемые триггеры, как D, T, R-S, JK и многих других типов. Они применяются как для записи и хранения информации (например триггеры D- и R-S -типов), так и для преобразования входных сигналов (таковы триггеры T-, J-K- типов).
Все триггерные элементы представляют собой некоторые структуры, выполненные на определенных наборах простейших элементов комбинационной логики. Некоторые из триггеров требуют для своего функционирования специальных управляющих сигналов. Формальное описание внутренних и внешних свойств триггерных элементов осуществляется средствами булевой алгебры и теории конечных автоматов. Совокупность входных и выходных сигналов, а также внутренних состояний триггеров в общем совпадает с сигналами комбинационной логики. Однако при этом допускаются некоторые упрощения в представлении этих сигналов как функций времени, что объясняется особенностями описания и поведения триггерных элементов во времени.
Функционирование триггерных элементов (см. [3] ) может быть представлено в виде
Y(tj) = F({Xi(tk)}), tj > tk ,
где все обозначения имеют тот же смысл, что и при описании комбинационных логических элементов с той, однако, разницей, что выходной сигнал определяется в некоторый момент времени, последующий по сравнению с моментом времени подачи входных сигналов. Интерпретация этого выражения различна для триггеров синхронного и асинхронного типов.
Заметим, что все эти триггерные элементы выполняют ограниченный набор фиксированных типовых операций над отдельными логическими сигналами, не обладающими каким - либо определенным содержательным смыслом.
1.2.3. Уровень операционных элементов. В предыдущих разделах курса "Электронные вычислительные устройства" изучение комбинационной логики и элементов теории конечных автоматов не ограничивалось только лишь обсуждением простейших элементов комбинационной логики и автоматного типа. В частности, рассматривались и более сложные комбинационные цепи и конечные автоматы (например, проводился даже синтез многоразрядных счетчиков). Такие более сложные комбинационные цепи и автоматы обладают способностью выполнять пусть даже простейшую обработку, но уже не отдельных логических переменных, а целых их групп, представляющих собой двоичные коды. Эти кода могут допускать свою интерпретацию как числа или некоторые смысловые цифровые, текстовые или сигнальные записи. Записи такого типа часто называют словами. Каждая двоичная переменная, входящая в такие слова, может быть позиционирована, т.е. занимает вполне определенное место (позицию), обладая в связи с этим некоторым конкретным смыслом. Так, в частности, в записи кода числа одна из его двоичных позиций (обычно самая левая) представляет знак числа, а остальные в зависимости от их номера могут обладать тем или иным весом в представлении мантиссы или порядка числа. Таким образом, входные и выходные сигналы в таких цепях уже принципиально отличаются от сигналов в простейших комбинационных цепях и триггерных ячейках.
Комбинационные или автоматные цепи, предназначенные для выполнения элементарных преобразований над простейшими содержательными единицами информации - словами, называют операционными элементами. Изучение элементов этого иерархического уровня и является задачей настоящего пособия.
Заметим, однако, что подобно тому, как при изучении отдельных простейших элементов комбинационного и автоматного типов возникла необходимость обращаться к более сложным цепям, компонентами которых являлись рассматриваемые элементы, так и в настоящем случае обсуждение операционных элементов требует наличия определенных представлений о следующем иерархическом уровне - уровне операционных устройств.
1.2.4. Уровень операционных устройств. Операционные устройства представляют собой достаточно высокий уровень структурной организации цифровых устройств. Наиболее характерным примером операционного устройства является арифметически-логический блок (АЛБ) современных ЭВМ. В АЛБ, подобно тому, как и в операционных элементах, выполняются операции над машинными словами. Однако если в операционных элементах эти операции носят элементарный характер, да и в каждом операционном элементе выполняется как правило только одно типовое преобразование, то в АЛБ выполняется целый набор самых разнообразных, в тот числе и достаточно сложных, операций по обработке отдельных машинных слов или их целых наборов (групповая обработка). Число различных операций, выполняемых в АЛБ, весьма велико и может достигать нескольких сотен.
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
