2. Базовая система элементов компьютерных систем (материал данного раздела факультативен)

Компьютерые системы (КС) используют естественное представ­ление чисел в позиционной системе счисления, поэтому при пост­роении базовых элементов очень большое значение имеет выбор ос­нования системы счисления. Для построения цифровых устройств была выбрана двоичная систе­ма счисления. Одним из преимуществ двоичного представления яв­лялось и то, что для проектирования устройств можно было исполь­зовать мощный аппарат алгебры логики – булевых функций.

При построении функциональных узлов КС используются эле­менты, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и от­рицание (логическое НЕ). На рис. 2 показаны условные обозначе­ния и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигна­лов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица – высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

б) элемент «логическое И»

в) элемент «логическое НЕ»

Рис. 2. Базовая система логических элементов цифровых устройств

Элемент памяти

Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памя­ти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер, или защел­ка. Оно строится на основе базового набора логических схем. На рис. 3 показана схема триггера. Он собран на четырех логических эле­ментах: два элемента «логическое НЕ» (схемы 1 и 2) и два элемента «логическое И-НЕ» (схемы 3 и 4). Два последних элемента представ­ляют собой комбинацию логических элементов «логическое И» и «логическое НЕ». Такой элемент на входе выполняет операцию ло­гического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выходаQ иQ'. Сигнал на выходеQ соответствует значению, хранящемуся в триггере. ВыходQ используется при необходимости получить инверсное значе­ние сигнала. ВходыS иR предназначены для записи в триггер од­ного бита со значением ноль или единица.

Рис. 3. Схема триггера в состоянии хранении бита информации

Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе Q низкий уровень сигнала). Еди­ница на выходе схемы4 и единица на выходе схемы1поддержива­ют состояние выхода схемы3 в состоянии нуля. В свою очередь, ноль на выходе схемы3 поддерживает единицу на выходе схемы4 . Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.

Для записи в триггер единицы подадим на вход S единицу (рис. 4). На выходе схемы 1 получится ноль, который обеспечит на выходе схемы3 единицу. С выхода схемы3 единица поступит на вход схемы4, на выходе которой значение изменится на ноль. Этот ноль на входе схемы3 будет поддерживать сигнал на ее выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входеS, на выходе схемы3 все равно будет высокий уровень. Т.е. триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входеSнеобходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схе­мы4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входеS устанав­ливается нулевом сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходеQ, т.е. сохраняет записанную в него единицу. Точно так же, подав входRединицу, можно записать в триггер ноль.

Рис. 4. Запись в триггер единицы