[Alekseev_A.P.]_Informatika_2015(z-lib.org)

__________________________________________________________________________________

4.2.Принцип действия основных устройств ЭВМ

Вэтом разделе рассматривается принцип действия цифровых устройств, арифметико-логического устройства, оперативной памяти, внешних запоминающих устройств, устройств ввода и вывода информации.

4.2.1.Принцип действия цифровых устройств

Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. При разработке новых конструкций компьютеров проверялись на практике различные варианты их построения. Изобретались вычислительные средства, в которых сигналы могли изменяться непрерывно (аналоговые ЭВМ). Были созданы конструкции, в которых основные элементы компьютера могли находиться в трёх различных устойчивых состояниях (в отечественной ЭВМ «Сетунь» использовалась троичная система счисления). Существуют элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния, например, реле. Контакты реле могут быть либо замкнуты, либо разомкнуты. Первые вычислительные машины были сконструированы с использованием реле. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики.

Радиоэлектронные элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния, являются цифровыми устройствами (ЦУ). Два устойчивых состояния удобно обозначать такими терминами: включено - выключено, открыто – закрыто, да – нет, истина – ложь или единица – ноль.

Достоинством цифровых устройств является их высокая помехоустойчивость и стабильность. Такие элементы надёжно работают при случайном изменении напряжения питания, колебаниях окружающей температуры, при действии электромагнитных помех.

Сигналы, представленные в цифровой форме, можно копировать, передавать и хранить практически без искажений. В то же время аналоговые сигналы таковы, что их копии всегда отличаются от оригинала (искажаются).

Все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные ЦУ и последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы) [5].

В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов. К таким ЦУ относятся: логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), арифметико-логические устройства,

92 Принцип действия цифровых устройств

__________________________________________________________________________________

преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры, и др.).

Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, имеющихся в данный момент времени, но и от предшествующего состояния ЦУ. Эти элементы обладают памятью. К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счётчики, регистры.

Аппаратно цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементах: электромагнитных реле, электровакуумных лампах, дискретных транзисторах, в виде микросхем, выполненных по интегральной полупроводниковой технологии.

При работе цифровых устройств их элементы в какой-то момент времени проводят электрический ток (открытое состояние), а в другой момент времени ток не проводят (закрытое состояние). Таким образом формируются сигналы логической единицы и логического нуля (цифровые сигналы).

Принцип действия логических элементов рассмотрим на примере работы устройства, выполняющего логическую операцию И-НЕ. Заметим, что схемотехническое построение элемента может быть различным: с использованием технологий РТЛ, РЕТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, И2Л. Эти технологии позволяют получить элементы, отличающиеся друг от друга быстродействием, нагрузочной способностью и потребляе-

мой мощностью (экономичностью). Рассматриваемый элемент построен на ком-

плементарных металл-окисел полупроводниках (по-

__________________________________________________________________________________

левых транзисторах, выполненных по КМОП - технологии). Термин «комплементарные» означает, что используемые транзисторы взаимно дополняют друг друга. В этих конструкциях применяются транзисторы двух типов. Транзисторы одного типа открываются высоким напряжением, а запираются низким (VT3, VT4). А другие транзисторы наоборот: запираются высоким напряжением, а низким напряжением открываются (VT1, VT2). Такие полупроводниковые элементы носят специальное название – полевые транзисторы с p-каналом и n-каналом. На рисунке показан полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа. Внутренняя часть транзистора между истоком и стоком называется каналом. Транзисторы работают в так называемом ключевом режиме. При этом каждый транзистор либо полностью открыт и проводит электрический ток, либо закрыт и практически ток не проводит. Переключение транзисторов из одного предельного состояния в другое происходит достаточно быстро.

Если попытаться изложить принцип работы транзистора с помощью метафоры, то транзистор можно сравнить с водопроводным краном. Поток воды, протекающий по трубе (каналу) от истока к стоку можно перекрывать с помощью крана. Таким краном в полевом транзисторе является затвор. Управляющее напряжение на затворе позволяет либо открыть канал (пропустить воду), либо перекрыть этот поток.

Как известно, логический элемент И-НЕ работает в соответствии со следующей таблицей истинности.

ком и стоком протекает ток. Через открытые транзисторы VT3 и VT4 высокий потенциал (примерно равный напряжению питания Ucc) передаётся на выходной зажим Y. Высокое выходное напряжение условно обозначено логической единицей (см. верхнюю строку таблицы истинности).

Если входные сигналы x1 и x2 одновременно равны высоким потенциалам (единицам), то транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 – открыты. В результате этого через открытые транзисторы VT3 и VT4 на выходную шину Y будет подан потенциал, близкий к нулю вольт (см. нижнюю строку таблицу истинности).

Если на входы элемента И-НЕ подать сигналы x1 = 1 и x2 = 0, то транзисторы VT3 и VT1 будут открыты, а транзисторы VT2 и VT4 закрыты.

__________________________________________________________________________________

стора высокое. Заметим, что номера рисунков в таблице совпадают с номерами строк в таблице истинности. Рассмотренные примеры показывают, как аппаратно (схемотехнически) реализуются некоторые логические операции.

Условное графическое обозначение элемента И-НЕ показано на рисунке. Кружок на выходе логического элемента говорит о том, что элемент выполняет операцию инверсии (отрицание, НЕ). Символ «&» внутри прямоугольника свидетельствует о том, что данный элемент выполняет логическую операцию

конъюнкции (логическое умножение, И). Два указанных символа совместно обозначают логическую операцию И-НЕ. Заметим, что зарубежные стандарты определяют иное изображение логических элементов.

Элементы, реализующие другие логические функции, имеют другую конфигурацию (другую схему построения). Заметим, что на базе логических элементов строятся все цифровые устройства: дешифраторы, сумматоры, триггеры, регистры и т.д.

Рассмотрим принцип действия ещё одного важного элемента цифровых ЭВМ – триггера.

Существует несколько широко распространённых типов триггеров: RS-, D-, T-, JK– триггеры и др. Простейшими являются RS–триггеры, причём они входят в состав более сложных конструкций. Триггеры D- типа используются для построения регистров. T- триггеры являются счётными, они делят частоту входно-

го сигнала на два и служат для построения двоичных счетчиков. JK–триггеры являются универсальными. На их основе можно реализовать любой из перечисленных типов триггеров.

Условное графическое обозначение RS-триггера показано на рисунке. Буквы RS являются аббревиатурой английских слов Reset (сброс) и Set (установка). Триггер управляется сигналом логического нуля (активный сигнал 0). Если на S- вход подать сигнал логического нуля, а на R-вход подать сигнал

96 Принцип действия цифровых устройств

__________________________________________________________________________________

логической единицы, то триггер установится в единичное состояние. При этом на прямом выходе Q будет присутствовать сигнал логической единицы, а на инверсном выходе Q - сигнал логического нуля. Если теперь на оба вхо-

да триггера подать сигналы логической единицы, то он перейдет в режим хранения информации. Его состояние не изменится до прихода новых управляющих сигналов, поступающих на входы R и S.

Принцип действия RS-триггера удобно пояснить с помощью рисунка, на котором изображён триггер, построенный на логических элементах И- НЕ. С помощью переключателей 1 и 2 легко изменять сигналы на входах логических элементов DD1 и DD2. Показанное на рисунке состояние соответствует подаче логического нуля на элемент DD1 и логической единицы на элемент DD2. Заметим, что логическому нулю соответствует потенциал, близкий к нулю (поэтому переключатель 1 подсоединен к корпусу, земле устройства). Логической единице соответствует некоторое положительное напряжение. По этой причине вход R триггера через переключатель 2 и резистор подсоединен к источнику напряжения +U.

В соответствии с таблицей истинности для логического элемента И- НЕ на выходе Q элемента DD1 появится сигнал логической единицы (светодиод Н1 загорится). Сигнал логической единицы с выхода элемента DD1 подается на верхний вход элемента DD2, на нижний вход которого в это время также подается сигнал логической единицы. В соответствии с таблицей истинности элемента И-НЕ на выходе DD2 появится логический ноль (светодиод Н2 погаснет). Триггер установится в единичное состояние. Такая комбинация входных сигналов соответствует режиму установки триггера в единичное состояние.

Если теперь переключатель 1 переместить в верхнее положение (таким образом подается сигнал логической единицы на вход S), то триггер перейдет в режим хранения информации. Его состояние останется прежним, так как на нижний вход элемента DD1 подается сигнал логического нуля.

Чтобы изменить состояние триггера (перевести его в нулевое состояние), следует на вход R подать сигнал логического нуля. Для этого нужно переключатель 2 перевести в нижнее положение. Сигнал логического нуля на нижнем входе элемента DD2 вызовет появление логической единицы на инверсном выходе триггера. В результате загорится светодиод Н2, а сигнал логической единицы с выхода DD2 попадет на нижний вход элемента DD1. В соответствии с таблицей истинности, наличие двух единиц на входах приведет к появлению логического нуля на выходе элемента И-НЕ. Триггер перейдет в нулевое состояние. Указанная комбинация входных сигналов соответствует режиму записи нуля.

Триггеры являются основными элементами, из которых состоит статическая оперативная память. На триггерах строят счетчики и регистры. С помощью регистров, например, осуществляется операция сдвига, которая

__________________________________________________________________________________

нужна для реализации операции умножения. С помощью регистров преобразуют параллельный код в последовательный (и наоборот). Это необходимо, например, для работы модема. С помощью модема многоразрядные двоичные слова, циркулирующие внутри ЭВМ, передаются по двухпроводной линии связи.

На рисунке показан четырехразрядный регистр памяти, построенный на синхронных D-триггерах.

Информация в триггеры DD1…DD4 записывается при поступлении на входы C1 разрешающего (синхронизирующего) импульса. Синхронизирующий сигнал формируется с помощью ключа С. В каждый триггер записывается та информация, которая присутствует на входе D. Например, на входе D триггера DD1 присутствует сигнал логической единицы, поэтому он установится в единичное состояние и светодиод Н1 загорится. В это же время триггер DD2 установится в нулевое состояние, так как на его D-входе присутствует логический ноль. Этот сигнал сформирован с помощью ключа

2.

98 Арифметико-логическое устройство

__________________________________________________________________________________

4.2.2. Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – важнейшая часть процессора. Оно позволяет выполнять различные арифметические и логические операции над операндами. Вид выполняемой АЛУ операции определяет программист, составляющий управляющую программу. Программа, хранящаяся в оперативной памяти, по частям передается в процессор, где и выполняется. Таким образом, процессор лишь исполняет указания программиста, выраженные в виде совокупности команд (программы).

Процессор (как и все другие цифровые устройства) воспринимает управляющие сигналы и операнды в виде двоичных чисел. Результат также формируется в виде двоичных чисел. Однако программисты составляют управляющие программы чаще всего на языках программирования высокого уровня (Паскаль, Делфи, Си…). В момент трансляции программы ее текст превращается в набор двоичных чисел (объектный код). Именно эти двоичные числа заставляют процессор (в том числе и АЛУ) выполнять операции, запланированные программистом.

Структурная схема АЛУ показана на рисунке.

Два многоразрядных операнда (числа, буквы, символы и т.д.), подлежащие обработке в АЛУ, подаются на входы А и В. Результат выполнения операции появля-

S и М подаётся двоичное число, которое на естественном языке означает команду (приказ) «Выполнить арифметическое сложение». Результат сложения

–число 5 появляется на выходе F.

Увходов M и S одинаковое назначение – определять вид выполняемой в АЛУ операции. Эти входы разделены лишь с методической целью. Сигнал

__________________________________________________________________________________

на входе М (Mode – режим) определяет, какую операцию будет выполнять АЛУ – логическую или арифметическую.

Рассматриваемый простейший тип АЛУ (К155ИП3, американский аналог - 74181) имеет малую разрядность – лишь 4 бита. По этой причине разработчики АЛУ предусмотрели возможность увеличения (наращивания) разрядности устройства (в случае возникновения такой необходимости). Увеличить (нарастить) разрядность АЛУ можно за счет использования нескольких секций (микросхем) и двух специальных шин C0 и Cn+1. За счет этого можно создать АЛУ, у которого число разрядов равно 8, 12, 16 и т.д.

Шина C0 при создании многоразрядных конструкций используется для приема переноса, формируемого в предыдущей (младшей) секции (микросхеме). Шина Cn+1 служит для передачи арифметического переноса из младшей секции в старшую секцию. Другими словами: если у разработчика в наличии имеется n-разрядное АЛУ, то для получения разрядности 2n нужно взять ещё одну аналогичную микросхему, объединить параллельно входы S и M, а выход Cn+1 младшей секции соединить с входом C0 старшей секции (микросхемы).

Логические и арифметические операции отличаются тем, что при выполнении логических операций вычисления производятся поразрядно. Между собой взаимодействуют только одноименные раз-

число 0110B, а на шине Cn+1 присутствует логическая единица. Этот сигнал свидетельствует о возникновении переноса в пятый разряд, то есть в следующую старшую секцию восьмиразрядного АЛУ.

100 Арифметико-логическое устройство

__________________________________________________________________________________

Работу четырехразрядного АЛУ можно описать выражением:

Fi (AiBiS3 Ai BiS2 ) (BiS1 BiS0 Ai ) (C0 M),

В этой формуле индексами i отмечены номера разрядов операндов A и B и выходного сигнала F.

Если на управляющие входы такого АЛУ подать сигналы M = 1, S3 = 1,

S2 = 0, S1 = 1, S0 = 1, то АЛУ будет выполнять операцию Fi = Ai Bi, то есть операцию конъюнкции (логическое умножение). Этот результат получается при подстановке исходных данных в приведенную формулу. Изменяя пять управляющих сигналов M, S3,…S0, можно «заставить» такое АЛУ выполнить 32 различные операции (16 логических и 16 арифметических). Так присутствие на управляющих входах двоичного числа M = 0, S3 = 1, S2 = 0, S1 =0, S0 = 1 заставит АЛУ выполнить арифметическое сложение чисел, поступивших на шины A и B, и к полученному результату прибавить значение переноса из предыдущей секции, то есть Fi = Ai + Bi + C0.

Таблица показывает, как, изменяя управляющие сигналы, можно задавать вид выполняемой операции.