2.3. Операционные элементы

Операционный автомат, вычисляющий значение одного слова информации и контролирующий его посредством логических условий, называется операционным элементом. В зависимости от списка выполняемых операций операционные элементы подразделяются на управляемые шины, регистры, сдвигающие регистры, счетчики, сумматоры, схемы сравнения, дешифратор, шифраторы и комбинированные операционные элементы.

Произвольный операционный автомат является композицией операционных элементов. Операционные элементы объединяются в единую схему посредством шин, используемых для передачи слов информации от выходов одних элементов к входам других.

Для передачи одного бита информации (двоичной переменной) необходима одна цепь. Однопроводная цепь, по которой передается сигнал, представляющий прямое или инверсное значение двоичной переменной, называется монофазной. Двухпроводная цепь, по которой одновременно передается два сигнала, предоставляющие прямое и инверсное значение двоичной переменной, называется парафазной. Совокупность электрически независимых цепей, предназначенных для передачи слова, называется шиной. Количество цепей в шинах равно длине передаваемого слова. В зависимости от типа цепей шины подразделяются на однофазные и парафазные. Шина получает наименование передаваемого по ней слова. Так, слово А(O:n) передается по шине А(0:n), состоящей из n+I цепей с номерами 0, 1,…..,n.

На структурных схемах шины обозначаются согласно рис.2.15, а, разветвление шин - согласно рис.2.15,б. Если две или более групп це­пей объединяются в одну шину, то используется символ, изображен­ный на рис. 2.15,в.

Для реализации микрооперации В:=А передачи слов информации между операционными элементами используются управляемые шины, обозначаемые на структурных схемах, как показано на рис.2.15,г. Здесь А - вход шины; В- выход шины; yi - управляющий сигнал, инициирующий микрооперацию В:=А. Стрелка обозначает точку приложения управляющего сигнала. Управляемая шина реализует функцию

Пусть a_j к b_j - разряды j слов A и B. Сигнал b_j, предоставляющий значение разряда b_j, может принять значение I лишь в том случае, если a_j=I и одновременно у_j =I. Следовательно, n - разрядная монофазная управляемая шина есть совокупность n штук двухвходовых элементов И . Для парафазной шины количество элементов И должно быть вдвое больше.

Совокупность управляемых шин с общим выходом называется мультиплексором.

На структурных схемах мультиплексор обозначается согласно рис.2.16.

Он реализует функцию

т.е. микроопераций k, микроопераций В:=A, B:=A_k инициируется управляющими сигналами y₁,y₂,……y_k . Эти микрооперации являются несовместимыми (в каждый момент времени может быть реализована только одна из них).

Регистром называется совокупность запоминающих элементов, предназначенных для хранения слова информации. В качестве запоминающих элементов в регистре обычно используются триггеры. Слово А загружается в регистр с выходных цепей. Предположим, что регистры получают наименование хранимого слова и разряды регистра (запоминающие элементы) нумеруются так же, как разряды слова. Так, словоS(0:n) хранится в регистре S, разряды которого нумеруются от 0 до n . Хранимое в регистре слово предоставляется на выходной шине, наименование которой, определяемое наименованием передаваемого слова, совпадает с наименованием регистра. На структурных схемах регистр обозначается согласно рис.2.17, где S - наименование регистра, 0 и n - номера старшего и младшего разрядов. Наименование регистра можно писать сбоку от его изображения.

Часть регистра, совпадающая с полем слова, называется под регистром и может рассматриваться как самостоятельный регистр. В регистр информация может загружаться отдельными полями. Порядок подключения к регистру шин, по которым передаются поля слов, обозначается на структурных схемах, как показано на рис.2.18.

Аналогичным образом выделяются поля слова, хранимого в регистре.

Если к каждому из пересекающихся полей регистра подходит по шине, то цепи этих шин, соответствующие одному и тому же запоминающему элементу, подключаются к его входам через элементы ИЛИ.

Сдвигающий регистр служит для хранения слова информации и выполнения микрооперации сдвига над этим словом. Например, сдвига содержимого регистра вправо на один разряд с записью значения а в освободившийся старший разряд, или сдвига содержимого регистра влево на один разряд с записью значения b в освободившийся младший разряд. На структурных схемах для сдвигающего регистра используется обозначение (рис. 2.19,а) .

Сдвиг слова А на фиксированное число разрядов может производиться соответствующей коммутацией цепей без использования регистра. Такой сдвигатель обозначается на структурных схемах согласно рис. 2.19, б, в.

Счетчиком называется операционный элемент, обеспечивающий хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета. Микрооперация счета состоит в изменений значения слова (состояния счетчика) на 1. Счетчик, на котором реализуется микрооперация счета вида СТ=СТ+1, называется суммирующим. Если на счетчике реализуется микрооперация СТ=CT-1, он называется вычитающим. Счетчик, на котором реализуются обе указанные микрооперации, называется реверcивным.

Изображение счетчика на структурных схемах показано на рис.2.20. Состояние счетчика представляется на выходной шине CT(0:5), По входу y₁, отмеченному значением (-1), поступает управляющий сигнал, возбуждающий микрооперацию счета у₁)СТ=СТ-1. Если по некоторому входу возбуждается микрооперация СТ=СТ+1, то вход отмечается значением (+1). Со счетчиком, как и с любым регистром, могут быть cвязаны микрооперации установки, передачи, инвертирования и осведомительные сигналы. На данном счётчике CT (0:5) реализуются микрооперации установки y₂ и y₃, например, y₂)CT:=30₁₀ и y₃)CТ:=62₁₀, и формируется осведомительный сигнал х) СТ= 0 принимающий значение 1, когда счетчик находится в нулевом состоянии.

Сумматор - это операционный элемент, предназначенный для выполнения микрооперации сложения чисел. Сумматоры подразделяются на комбинационные и накапливающие. Комбинационные сумматоры не содержат запоминающих элементов и реализуют микрооперацию сложения в виде KSM=A+B. Накапливающие сумматоры содержат регистр, на котором перед началом микрооперации хранится слагаемое и на момент окончания сложения сумма. Накапливающие сумматоры реализуют микрооперацию сложения в виде SM=SM+A. Комбинационные сумматоры обозначаются на структурных схемах в следующем виде (рис.2.21).

Слагаемые поступают в сумматор по шинами А и В, спустя такт, на шине KSM формируется значение суммы, которое сохраняется до тех пор, пока слагаемые не изменят своих значений. Одновременно с суммой формируется сигнал переполнения сумматора q, который принимает значение 1, если сумма представляется (n+1)-разрядным числом. Вход р связан о цепью переноса в младший разряд сумматора. Если на вход р поступает некоторый сигнал, то на сумматоре выполняется микрооперация сложения. q,KSM:=A+B+p. Если в младший разряд всегда заносится значение р=0, то вход р на структурных схемах не обозначается.

При сложении чисел, которые могут представляться в обратном коде, в сумматоре организуется цепь циклического переноса путем подсоединения выхода q ко входу р.

При этом на сумматоре реализуется микрооперация .

Для присвоения сумме начального значения в накапливающем сумматоре SM обычно реализуется микрооперация установки y₁)SM:=const. Если начальное значение сумме присваивается передачей в сумматор слова из другого регистра, сумматор должен иметь специальный вход, управляемый сигналом. На структурных схемах накапливающий сумматор изобретается в следующем виде (рис.2.22).

В скобках указан регистр, входящий в состав этого сумматора. Управляющий сигнал y₃ возбуждает микрооперацию q.SM:=SМ+А+р, где q - значение переноса из старшего разряда сумматора. Сигнал q принимает значение 1 при переполнении сумматора и сохраняет cвое значение только в течение такта сложения. Еcли выход q соединить с входом p, то на сумматоре реализуется микрооперация циклического cложения SM:=SM+A.Если значения р и q не используются, то соответствующие вход и выход на структурных схемах не указываются.

С хемой сравнения называется операционный элемент, на котором вычисляется значение отношения между двумя словами. Основными отношениями являются выражения А=В и А>В , которые в зависимости от значения операндов А и В принимают значение "ложь" (0) или "истина" (1). В микропрограммах отношения используются как логические условия, и их значения представляются осведомительными сигналами, вырабатываемыми на выходе соответствующих схем сравнения. В зависимости от типа вычислительных отношений выделяются схемы сравнения на отношение равенство (отрицания равнозначности), вычисляющие отношения А=B(A<>B), и схемы сравнения на отношение больше (меньше), вычисляющие отношения А>B (А<B). Очевидно, что схема сравнения на равенство позволяет вычислять отношения A=B и А<>B, а схема cравнения на больше позволяет вычислять отношения А>В, А<В, А В, А B.

Схемы сравнения на структурных схемах обозначаются так же, как и на рис.2.23.

Операционный элемент, преобразующий двоичный позиционный код в унитарный, называется дешифратором. На структурных схемах дешифратор обозначается согласно рис.2.24. Здесь (n+1) - число входов и (m+1) - число выходов дешифратора.

Шифратор- это операционный элемент, преобразующий унитарный код в некоторый позиционный код. На структурных схемах шифраторы обозначаются в следующем виде (рис.2.25). Здесь (m+1) - число разрядов унитарного кода Y и (n+I) - число разрядов позиционного кода Х.

Операционный элемент, преобразующий один двоичный позиционный код в другой, называется преобразователем кодов. Его действие может быть сведено к дешифрации входного кода с последующей шифрацией. Так как каждый триггер в регистре бывает прямой и инверсный выходы, микрооперация инвертирования может быть реализована с помощью управляемой шины. Однако иногда приходится использовать набор инвертеров. Такой операционный элемент обозначается на операционных схемах согласно рис 2.26. Бинарные логические микрооперации присваивают слову значение, получаемое поразрядным применением операций , V, (последний символ означает с ложение по модулю два) к парам соответствующих разрядов слагаемых и реализуется с помощью соответствующих логических элементов.

Операционный элемент, на котором реализуется несколько разнотипных микроопераций, связанных с вычислением одного слова информации, называется комбинированным.

Если в записи микрооперации используется некоторая нестандартная функция, то вводится операционный элемент, реализующий эту функцию.

Благодаря прогрессу в технологии интегральных схем становится возможным реализовать все более и более сложные операционные элементы. Например, элемент, выполняющий операцию умножения, можно реализовать в виде ПЗУ достаточной емкости или в виде комбинационной схемы, состоящей из комбинационных сумматоров и конъюнкторов [4, с.218]. Следует, однако, помнить, что c увеличением длины обрабатываемых слов необходимая емкость ПЗУ быстро возрастет, и комбинационная схема становился весьма многоступенчатой. По этой причине время выполнения операции в элементах подобного рода может существенно превышать длину одного или даже нескольких тактов, если длительность такта выбрана исходя из затрат времени, необходимых для выполнения более простых операций.