Реализация базовых компонент вычислительных систем на логических функциях.

Уже было сформулировано, что все логические элементы выполнены на транзисторах, все составляющие вычислительной системы выполнены на логических элементах. Рассмотрим некоторые базовые простейшие компоненты, их устройство и логическую схему.

• Ячейка памяти

• Дешифратор

• Сумматор

Начнем с ячейки памяти. Оперативная память в настоящее время реализована на достаточно медленных динамических ячейках, в основе которых лежит конденсатор. А кеш-память реализована на гораздо более скоростных статических ячейках памяти, построенных на транзисторах. Разберем устройство статической ячейки памяти.

Триггер

Как видно из изображения транзистора (смотри Error: Reference source not found), транзистор сам по себе не может хранить информацию: подача напряжения на базу приводит к открытию транзистора, заряд с коллектора уходит на эмиттер, далее на землю, этим все заканчивается. Чтобы реализовать ячейку памяти, которая могла бы удерживать поданный сигнал, используются два логических элемента ИЛИ-НЕ (возможны и другие реализации), выходы которых закольцованы на входы, осуществляя обратную связь (смотри Рисунок 47). На рисунке приведена также таблица истинности элементов ИЛИ-НЕ.

Рисунок 47. Ячейка памяти.

Рассмотрим полученную схему: если на нижний элемент ИЛИ-НЕ, на вход S подать «1», то, согласно таблице истинности элемента ИЛИ-НЕ, независимо от информации, поданной на второй вход, нижний элемент ИЛИ-НЕ на выходе даст «0». Выход нижнего ИЛИ-НЕ подается на вход верхнего элемента ИЛИ-НЕ. НА второй вход верхнего элемента подается «0». Два нуля на входе согласно таблице истинного элемента дадут «1» на выходе. Эта единица поступает на вход нижнего элемента, обеспечивая «0» на выходе нижнего.

Получилась схема с обратной связью, которая держит поданный сигнал столько времени, сколько на эту схему подается питание.

Собранный элемент носит название триггера. Приведенная схема имеет упрощенный вид. Но основное предназначение триггера: хранить поданный сигнал, схема реализует.

В приведенном примере на триггере была «записана» логическая единица. Для записи единицы на вход S (set) подается «1», на вход R(reset) – подается «0».

Для записи логического нуля, наоборот, на вход S (set) подается «0», на вход R(reset) – подается «1».

Задание: проанализируйте, как меняются состояния элементов ИЛИ-НЕ и всего триггера при подаче логического нуля (S=0 R=1).

После записи нужного бита информации на входах S и R может быть «0»: это не приведет к изменению состояния триггера.

Задание: проанализируйте, как меняются состояния элементов ИЛИ-НЕ и всего триггера при S=0 и R=0 .

Состояние входов триггера S=1 и R=1 для данного триггера является запрещенным

Задание: проанализируйте, как меняются состояния элементов ИЛИ-НЕ и всего триггера при S=1 и R=1. Почему это состояние является запрещенным?

Таким образом, на примере триггера, мы разобрали простейшую схему ячейки статической памяти и продемонстрировали, каким образом логические элементы реализуют те или иные задачи.

Регистр

Триггер может хранить только один бит информации. Если использовать n триггеров, то можно получить n-разрядный регистр.

Регистр - последовательное или параллельное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.

Рисунок 48. 8-ми разрядный регистр.

На рисунке приведен регистр, который может хранить информацию объемом 1 байт. Фактически регистр представляет собой быструю память.

Как будет показано в дальнейшем тексте, регистры активно используется в логике работы компонент вычислительных систем, в частности, важную роль играют регистры, расположенные непосредственно на кристалле процессора.