Опорний конспект лекцій з дисципліни "Комп’ютерна схемотехніка"

Змістовий модуль 1. "Схемотехніка типових вузлів і блоків".

Тема 1. Основи комп’ютерної схемотехніки (кс).

Інформаційні основи КС. Інформаційні міри. Арифметичні основи КС. Логічні основи КС. Основні характеристики цифрових мікросхем.

Інформаційні основи КС.

КС - це науково-технічна дисципліна, яка вивчає теоретичні методи аналізу та синтезу схем комп'ютерів (електронних обчислювальних машин) і способи їх технічної реалізації. Розвиток комп’ютерної схемотехніки є основою удосконалення архітектури комп’ютерів, якісного підвищення їх продуктивності і надійності, суттєвого зменшення ваго габаритних показників.

У широкому сенсі слова інформація є відображенням реального світу. Інформація, підготовлена для обробки на комп'ютерах, називається даними.

Інформаційний процес включає в себе такі етапи:

1. збір інформації від різних джерел і представлення її у формі, необхідної для введення в комп'ютер;

2. передачу (пересилку) інформації від джерела до приймача;

3. зберігання - процес передачі інформації у часі;

4. обробку - систематичне виконання операцій над даними;

5. видачу результату обробки користувачеві.

На всіх цих етапах використовують засоби комп'ютерної схемотехніки. Структуру і загальні властивості інформаційних процесів вивчають в інформатиці, яка включає:

• теорію інформації;

• алгоритмічні, програмні та комп'ютерні засоби обробки інформації;

• архітектуру комп'ютерів, системи штучного інтелекту, обчислювальні мережі.

В теорії інформації вивчають процеси передачі, перетворення і зберігання інформації, в тому числі:

• методи визначення кількості інформації в повідомленні;

• раціональні способи подання інформації (букви, цифри, ієрогліфи);

• способи формування, виявлення та оцінки параметрів інформаційних процесів. Впорядковану послідовність символів (букв, цифр, математичних знаків, призначених для передачі інформації), закодовану в матеріальній формі, називають повідомленням. Інформаційне повідомлення завжди пов'язано з джерелом і приймачем інформації, з'єднаних каналом передачі (рис. 1.1).

Рис. 1.1. – Інформаційна модель каналу передачі

Для передачі інформації від джерела до приймача повідомлення перетворюють в сигнали. Сигналом називають "зміну фізичної величини, яка використовується для передачі даних". Таким чином, сигнал утворюється на основі деякої фізичної величини (електромагнітні або акустичні коливання, електрична напруга, світло) і зміни одного або декількох її параметрів (амплітуди, частоти, фази, тривалості). Вважають, що сигнал - це матеріально-енергетичне втілення повідомлення. За допомогою сукупності сигналів можна представити будь-яке складне повідомлення. Сигнал може перетворюватися без зміни змісту інформації з однієї фізичної величини в іншу, більш зручну для передачі по каналу зв'язку і обробки в схемах комп'ютера. Зміна параметрів фізичної величини за законом переданого повідомлення називають модуляцією, а змінювані параметри – інформативними. Сигнали класифікують за такими ознаками:

• ступеня визначеності очікуваних значень - випадкові і детерміновані;

• структурі тимчасової зміни - безперервні і дискретні;

• ролі переданої інформації в комп'ютери - адреси, дані і управління;

• особливостям спектрального уявлення - низькочастотні та високочастотні, вузькосмугові і широкосмугові;

• способу перетворення - кодовані, декодовані, підсилені, дискретизовані;

• приналежності до виду зв'язку - телеграфні, телефонні, радіолокаційні, міжмашинні і внутрімашинні;

• характером зміни кодованих сигналів в синхронізовані моменти часу - потенційні і імпульсні.

Для інформаційного обміну використовують знаки різного рангу:

• перший ранг - символи. Символ - це елементарна одиниця повідомлення. Якщо число різних символів обмежена, то їх сукупність називають алфавітом (наприклад, букви латинського алфавіту, двійкові символи 0 і 1 - в технічних пристроях);

• другий ранг - слова (групи символів), з яких будуються фрази і вирази.

У загальному випадку спосіб формалізованого опису різних сигналів (і відповідно повідомлень) називається представленням інформації. В теорії інформації розглядають не фізичне, а математичне уявлення сигналів (рис.1.2).

Рис. 1.2. – Математичне представлення сигналів

Найбільш поширеними способами представлення сигналів є часовий, спектральний, статистичний. У багатьох випадках інформація про протікання деякого фізичного процесу надходить від відповідних датчиків у вигляді електричних сигналів, які безперервно змінюються в часі. Розрізняють такі різновиди сигналів, що описуються часовою функцією y (t).

1. Безперервна функція неперервного аргументу в інтервалі часу 0<t<t_k (рис. 1.2а).

2. Дискретна функція неперервного аргументу (рис. 1.2б). Значення, що приймаються функцією y(t), утворюють дискретний ряд чисел у_i, де і = 1,2, .... k. Значення аргументу може бути будь-яким в заданому інтервалі часу 0<t<t_k.

3. Неперервна функція дискретного аргументу (рис. 1.2в). Значення функції y(t) визначаються тільки на дискретній множині t_i де i=1, 2.... k. Функція y(t) може приймати будь-які значення в заданому діапазоні.

4. Дискретна функція дискретного аргументу (рис. 1.2г). Значення, що приймаються функцією і аргументом, утворюють дискретні ряди чисел у₀, у₁…у_k і t₀, t₁…t_k.

Спільне застосування дискретизації і квантування дозволяє перетворювати неперервну функцію в чисто дискретну. Згідно з теоремою Котельникова сигнал, що описується функцією з обмеженим спектром, визначається своїми дискретними значеннями, які відраховуються через інтервали часу t = 1/2Fc, де Fc - ширина спектру. Таким чином, сигнал у(t) можна передавати окремими миттєвими значеннями, які відраховуються через кінцевий інтервал часу. За цим значенням комп'ютер повністю відновлює первинний безперервний сигнал.

До дискретно-неперервних функцій відносять також часо-імпульсне представлення первинного сигналу y(t) прямокутними імпульсами з неперервним параметром t_i/T, де t_i - тривалість імпульсу, яка пропорційна значенню сигналу, а T – період повторення імпульсів.

При число-імпульсному поданні інформативним параметром є кількість імпульсів за період.

У комп'ютерній схемотехніці використовують розрядно-цифрове (або просто цифрове) кодування, в якому первинний сигнал представляється групою символів. В двійковій системі числення числа 0 і 1 відображаються електричними сигналами, наприклад, імпульсами. Наявність імпульсу відповідає цифрі 1, відсутність - 0. Розряди двійкового числа характеризуються вагою, кратною степені двійки - 1, 2, 4, 8, ... (в напрямку від молодших до старших розрядам), наприклад. для чотирирозрядного двійкового числа маємо:

x1x2x3x4 = x4*2⁰ + x3*2¹ + x2*2² + x1*2³ .

Привести приклад.

Цифровий код передають послідовно в часі (послідовний код) за допомогою одного каналу передачі або одночасно (паралельний код) за допомогою багатоканальної передачі (рис. 1.3). На практиці послідовний код використовують при передачі інформації на великі відстані (наприклад, між комп'ютерами), а паралельний код - при передачі інформації на малі відстані (наприклад, монітор, принтер).

Рис.1.3. – Послідовна та паралельна передача інформації.