5.2 Счетчики. Двоично-вычитающие и двоично-суммирующие счетчики. Общая структура. Принцип работы. Область применения.

Счетчик – это последовательная схема, преобразующая поступающие на вход импульсы в код Q, соответствующий их количеству. Большинство счетчиков снабжено выходом переноса CR. Одним из основных параметров счетчиков является модуль счета (емкость) М, представляющий собой число устойчивых различимых состояний счетчика.

Счетчики выполняются на триггерах со счетным входом (Т-триггерах). По способу счета счетчики могут быть суммирующие, вычитающие и реверсивные, то есть, изменяющие направление счёта. По способу переключения триггеров делятся на синхронные и асинхронные. В асинхронных счетчиках триггеры переключаются последовательно (асинхронно) от разряда к разряду, а в синхронных одновременно.

На выходах суммирующего двоичного счетчика с модулем M = 2^m формируются m-разрядные кодовые комбинации, порядок смены которых соответствует изменению двоичного кода, описывающего состояния счетчика от 0 до М-1.

Для построения счётчика с модулем 4 потребуется система из двух триггеров, у которых может быть 4 состояния. Триггер, формирующий значения разряда Q₀, должен переключаться с приходом каждого рабочего отрицательного фронта (1→0) входного сигнала, а второй триггер, лишь когда на выходе первого появляется переход 1→0, то есть, также отрицательный фронт. Такой алгоритм переключения определяет структуру счетчика как систему из двух последовательно соединенных триггеров, срабатывающих по отрицательному фронту сигнала тактирования.

С уммирующий счетчик будет работать в режиме вычитающего, если выходные сигналы снимать с инверсных выходов триггеров.

Таблицу функционирования вычитающего счетчика можно представить следующим образом:

Исходным будет состояние 1-1-1, которое с приходом каждого счетного импульса меняется так, что число, соответствующее формируемому двоичному коду, уменьшается на единицу вплоть до нуля, затем процедура смены состояний повторяется.

Для реализации такого устройства можно использовать триггеры, срабатывающие по положительному фронту, либо триггеры, реагирующие на отрицательный фронт, если подавать соответствующие воздействия с инверсных выходов предыдущих разрядов, либо в цепи сигналов установить инверторы.

Так как новое состояние счетчика устанавливается с задержкой, быстродействие триггеров используется неэффективно. Поэтому область применения двоичных счетчиков сравнительно узкая. Они в основном используются в вычислительных устройствах различного назначения.

6.1 Комбинационная логика. Этапы синтеза комбинационных автоматов. Методы синтеза.

Комбинационная логика – это двоичная логика функционирования устройств комбинационного типа. Комбинационная логика используется в вычислительных цепях для формирования входных сигналов и для подготовки данных, которые подлежат сохранению. На практике вычислительные устройства обычно сочетают комбинационную и секвенциальную логику. Например, арифметическое логическое устройство (АЛУ) содержит комбинационные узлы.

Математику комбинационной логики обеспечивает булева алгебра. Базовыми операциями являются:

• конъюнкция  ;

• дизъюнкция  ;

• отрицание (инверсия)   или  .

В комбинационных схемах используются логические элементы:

• конъюнктор (И);

• дизъюнктор (ИЛИ);

• инвертор (НЕ),

а также производные элементы:

• И-НЕ;

• ИЛИ-НЕ;

• «Равнозначность» (исключающее ИЛИ-НЕ).

Наиболее известными комбинационными устройствами являются сумматор, полусумматор, шифратор, дешифратор, мультиплексор и демультиплексор.

Синтез комбинационного автомата включает в себя следующие этапы:

- выбор типа триггеров;

- построение таблицы переходов, выходов и возбуждений;

- запись логических выражений для выходных сигналов (Y) и сигналов возбуждений (U);

- построение комбинационной схемы.

Методы синтеза комбинационных логических схем (КЛС) можно разделить на две большие группы:

-     методы двухуровневого синтеза, предполагающие прохождение сигнала от входа комбинационной схемы к выходу через два уровня логических элементов (как правило, это элементы «И» и «ИЛИ»);

-     методы многоуровневого синтеза, целью которого является синтез схемы в виде логической сети, удовлетворяющей заданным ограничениям.

6.2 Кэш-память. Существующие архитектурные реализации кэш-памяти. Назначение. Принцип работы.

Для решения задачи использования динамической памяти в качестве ОЗУ и повышения быстродействия работы системы в целом было предложено использовать так называемую кэш-память. Она представляет собой статическое запоминающее устройство небольшой емкости и очень высоким быстродействием, которое запоминает копии блоков данных, передаваемых между ОЗУ и центральным процессором.

При чтении данных сначала выполняется обращение к кэш-памяти. Если там имеется копия данных, хранящихся в считываемой ячейке основного ОЗУ, то вырабатывается сигнал попадания (Hit), под действием которого мультиплексор выдаёт на шину данных информацию из кэш-памяти. В противном случае сигнал попадания не формируется и происходит считывание данных из основной памяти.

Существует 3 основных способа архитектурной реализации кэш-памяти:

• кэш прямого отображения, где каждый блок данных из памяти может быть отображён только в одну строку кэша с определённым номером;

• полно-ассоциативный кэш, где каждый блок данных из памяти может быть отображён в любую из строк кэша;

• частично-ассоциативный кэш, где каждый блок данных может быть отображён в строку на выбор из нескольких параллельных наборов строк кэша (обычно 2, 4, 8 или 16). Частично-ассоциативный кэш может рассматриваться как набор из нескольких (2, 4, 8 или 16) параллельных кэшей прямого отображения, объединённых общей логикой управления.

Кэш прямого отображения является наиболее экономичным с точки зрения аппаратных затрат, так как он требует наличия только одного адресного компаратора. Наиболее дорогостоящим является полно-ассоциативный кэш, в котором адресный компаратор требуется для каждой строки кэша. Частично-ассоциативный кэш является компромиссным решением, увеличивающим гибкость кэша прямого отображения частичной ассоциативностью между параллельными блоками кэшей прямого отображения.