F530EFB30609B81FDFDE985C2ED2DB0F

Глава 3. Логические основы устройств ЭВМ

Эквиваленция – это логическая функция от двух переменных, которая принимает значение 1 только тогда, когда обе переменные имеют одновременно

значения 1 или 0.

Функция выражается: А ↔ В ; А В; А РАВНОСИЛЬНО В.

При выполнении операций применяются скобки «( )», которые определяют порядок выполнения операций. Если скобок нет, то операции выполняются в следующей последовательности: логическое отрицание → логическое умножение → логическое сложение → импликация и эквиваленция.

3.3. Законы алгебры логики

Для преобразования логических выражений используют законы алгебры логики.

Закон тождества: А=А.

31

Раздел 1. Базовые понятия информатики

3.4. Логические схемы основных устройств ЭВМ

Любые устройства ЭВМ могут быть собраны из базовых логических элементов.

Логический элемент – это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логические элементы ЭВМ оперируют с сигналами, представляющими собой электрические импульсы. Есть импульс – логический смысл сигнала – 1, нет – 0. На входы логического элемента поступают сигналы – значения переменных, которые на выходе преобразуются в сигнал – значение функции.

Работа логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Схема И. На входы А и В логического элемента подаются сигналы, на выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицами истинности функции логического умножения (рис. 3). 1 на выходе будет только тогда, когда на всех входах будут 1. Если хотя бы на одном из входов будет 0, то и на выходе будет 0.

Рис. 3. Условное обозначение схемы И

Схема ИЛИ. На входы А и В логического элемента подаются сигналы, на выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицами истинности логической функции сложения (рис. 4). Если хотя бы на одном из входов будет 1, то и на выходе будет 1.

Рис. 4. Условное обозначение схемы ИЛИ

Схема НЕ. На вход А логического элемента подается сигнал 0 или 1. На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицей истинности функции инверсии (рис. 5). Если на входе схемы 0, то на выходе 1, если на входе 1, на выходе 0.

32

Глава 3. Логические основы устройств ЭВМ

Рис. 5. Условное обозначение схемы НЕ

Схема И-НЕ. Схема стоит из элемента И и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы И (рис. 6).

Рис. 6. Условное обозначение схемы И-НЕ

Схема ИЛИ-НЕ. Схема стоит из элемента ИЛИ и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы ИЛИ (рис. 7).

Рис. 7. Условное обозначение схемы ИЛИ-НЕ

Устройства, реализующие более сложные функции (например, триггеры, сумматоры), представляют собой различные комбинации указанных базовых логических элементов.

Триггер (от англ. trigger – защелка, спусковой крючок) – электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями равновесия (0, 1), чередующимися под воздействием внешних сигналов, предназначенное для записи и хранения 1 бита

данных.

Триггеры – это логические устройства с памятью. Выходные устройства триггеров зависят не только от их входных сигналов, действующих в настоящий момент, но и от сигналов, действовавших на входы до этого.

Самый распространенный и простой тип триггера – асинхронный RS-триггер (рис. 8). Он построен из логических элементов ИЛИ-НЕ.

33

Раздел 1. Базовые понятия информатики

Рис. 8. Логическая схема RS-триггера.

Условные обозначения: S (от англ. set – установка) – вход установки триггера в 1; R (от англ. reset – сброс) – вход установки триггера в 0; Q – действующее значение сигнала на прямом выходе триггера;

Q – то же на инверсном выходе

Для записи 1, на установочный вход S подается сигнал 1. Последовательно проследив прохождение сигнала по схеме, видим, что триггер переходит в это состояние (т.е. с выхода триггера Q можно считать 1) и будет устойчиво находиться в нем и после того, как сигнал на входе S исчезнет (т.е. триггер запомнил 1).

Для того чтобы сбросить информацию и подготовиться к приему новой, подается сигнал 1 на вход R (сброс), после чего триггер возвратится к исходному нулевому состоянию (т.е. на прямом выходе триггера устанавливается 0, а на инверсном – 1).

Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта, соответственно 8*210=8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.

Регистр – устройство ЭВМ, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе вычислительных операций.

Регистры используются для записи, хранения, считывания информации. Регистр представляет собой совокупность триггеров (число которых соответствует числу разрядов в слове) и схем, обеспечивающих выполнение ряда операций: сброс (установка в 0), передача и прием слова, сдвиг слова и др.

Все математические операции, происходящие в процессоре (умножение, деление, возведение в степень и т.д.), в конечном счете, сводятся к выполнению по определенным программам операций сложения двоичных чисел.

34

Глава 3. Логические основы устройств ЭВМ

Сумматор – это регистр в процессоре ЭВМ, выполняющий операцию сложения.

Логическая схема сумматора приведена на рис. 9. При сложении двоичных чисел образуется сумма в данном разряде, при этом возможен перенос в старший разряд.

Рис. 9. Логическая схема сумматора.

Условные обозначения: X, Y— слагаемые; S — сумма;

P — перенос

Вопросы для самопроверки

1.Что является основными формами мышления?

2.Что такое алгебра логики?

3.Какая переменная называется логической?

4.Что такое логическая функция?

5.Каковы основные функции алгебры логики?

6.Для чего служат таблицы истинности?

7.Как называется логическая функция от двух переменных, принимающая значение 1 только тогда, когда единичное значение имеют все переменные?

8.Что такое логический элемент ЭВМ?

9.Какие основные логические элементы ЭВМ Вы знаете?

10.Для чего служат триггеры?

11.Что такое регистр?

12.Какой регистр называют сумматором?

35

РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРА ЭВМ

ГЛАВА 4

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЭВМ

В главе дается понятие ЭВМ. Рассматриваются принципы функционирования ЭВМ. Приводится характеристика основных технических средств ЭВМ: системной платы, системной магистрали, микропроцессора, запоминающих устройств, устройств ввода и вывода данных.

4.1. Понятие ЭВМ, классификация

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер (от англ. computer – вычислитель) – это электронное устройство, состоящее из согласованно работающих технических (hardware) и программных средств (software)

для автоматической обработки информации.

Все электронные цифровые вычислительные машины условно можно разделить на два класса:

∙большие компьютеры (суперкомпьютеры и мэйнфреймы) (крупные, надежные, мощные, многопользовательские, сверхбыстродействующие ЭВМ на основе многопроцессорных вычислительных систем, предназначенные для решения широкого класса научно-тех- нических задач);

∙малые компьютеры (микрокомпьютеры) (более компактные ЭВМ).

Наиболее распространенными микрокомпьютерами являются персональные компьютеры.

Персональный компьютер – это однопользовательский универсальный микрокомпьютер, с которым может работать человек, не являющийся

специалистом в области компьютерной техники и программирования.

По конструктивным особенностям персональные компьютеры делятся на две группы:

∙настольные, ∙переносные (портативные).

Настольные персональные компьютеры состоят из отдельных кмпонентов (системного блока, монитора, клавиатуры и т.п.) и позволяют легко изменять конфигурацию.

Портативные компьютеры удобно взять с собой в дорогу, всегда иметь при себе. Существуют разные типы портативных компьютеров. Ноутбуки (от англ. notebook – блокнот, записная книжка) – легкие

36

Глава 4. Технические средства ЭВМ

переносные компьютеры, совмещающие микропроцессор, экран, клавиатуру, манипулятор (тачпад) в одном корпусе и имеющие аккумуляторные батареи.

Планшетные компьютеры – это переносные компьютеры, имеющие встроенный экран и планшетные устройства рукописного ввода; у некоторых экран может сдвигаться, открывая клавиатуру, расположенную под ним.

Карманные персональные компьютеры (КПК), или личные цифровые помощники (PDA), или «интеллектуальные» записные книжки, представляют собой портативные компьютеры небольших размеров (умещаются на ладони) использующие питание от батарей. Их можно использовать для планирования встреч, сохранения адресов и телефонных номеров, игр, для телефонных звонков, для выхода в сеть Интернет. Карманные компьютеры оборудованы сенсорными экранами, управление на которых осуществляется с помощью пальца или пера. В настоящее время получили распространение смартфоны и коммуникаторы, которые совмещают функции КПК с функциями телефона.

4.2.Принципы функционирования ЭВМ

Воснове построения большинства современных компьютеров лежат общие принципы функционирования, сформулированные американским ученым Джоном фон Нейманом в 1945 г.

1. Принцип двоичного кодирования. Информация в ЭВМ кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы (слова).

2. Принцип адресности. Слова информации размещаются в ячейках памяти, каждая из которых имеет свой адрес (номер). Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти (команда, число и прочее). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип программного управления. Работа процессора регламентируется размещенной в памяти программой, которая представляет собой последовательность команд. Выполнение программы сводится к последовательному выполнению команд процессором.

Кроме того, архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе и принципе

37

Раздел 2. Структура ЭВМ

открытой архитектуры. Компьютер состоит из модулей: микропроцессора, постоянного и оперативного запоминающих устройств, внешних запоминающих устройств, устройств ввода и вывода, которые подключены к магистрали. Компьютер не является неразъемным устройством, это позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию.

4.3. Структурная схема компьютера

Согласно перечисленным принципам функционирования ЭВМ общая структура компьютера может быть описана схемой (рис. 10).

Рис. 10. Обобщенная структурная схема ЭВМ.

Условные обозначения: - управляющие сигналы; - потоки информации

Конструктивно современный персональный компьютер состоит из системного блока и периферийных (внешних) устройств. Все внешние устройства, подключаемые к системному блоку, делятся на две основные группы:

∙устройства ввода (клавиатура, манипуляторы, сканер, микрофон и др.);

∙устройства вывода (монитор, принтер, плоттер, динамики и

др.).

Вотдельную группу периферийных устройств можно отнести

внешние запоминающие устройства.

Всистемном блоке располагаются такие центральные устройства компьютера, как системная магистраль, системная плата, микропроцессор, внутренняя память, контроллеры внешних устройств, порты ввода-вывода. Кроме того, в состав системного блока входят генератор тактовых импульсов, блок питания, таймер и ряд других устройств, а также располагаются накопитель на жестком диске, дисководы для гибких и оптических дисков.

38

Глава 4. Технические средства ЭВМ

Блок питания – устройство, преобразующее напряжение электросети в постоянное напряжение, необходимое для питания устройств, размещенных в системном блоке.

Блок питания содержит вентилятор, необходимый для охлаждения системного блока.

Кроме сетевого, в системном блоке имеется автономный источник питания – аккумулятор. К аккумулятору подключен таймер – электронный секундомер, обеспечивающий отсчет текущего момента времени.

4.4. Центральные устройства компьютера

Микропроцессор, или центральный процессор (англ. Central Rpocessing Unit – CPU) – это программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации, управление им и координацию работы всех

устройств компьютера.

Первый микропроцессор был создан в 1971 г. фирмой Intel. В современном компьютере микропроцессор выполнен в виде большой интегральной схемы, реализованной на одной тонкой пластинке кристаллического кремния. Во многих персональных компьютерах используются микропроцессоры фирмы Intel (процессоры Pentium, Celeron), широкую известность получили также микропроцессоры фирмы AMD (процессоры Athlon, Sempron).

Микропроцессор состоит из устройства управления (УУ), арифме- тико-логического устройства (АЛУ) и микропроцессорной памяти (МПП).

Устройство управления – это устройство микропроцессора, определяющее последовательность выборки команд и данных из памяти, осуществляющее расшифровку команд и вырабатывающее управляющие сигналы, координирующие

работу составных частей ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство – это устройство, выполняющее все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией.

39

Раздел 2. Структура ЭВМ

кратковременного хранения, записи и выдачи данных, используемых в ближайшие такты работы ЭВМ.

Основными характеристиками микропроцессора являются тактовая частота, разрядность, объем памяти.

Разрядность микропроцессора показывает, сколько бит данных микропроцессор может принять или передать за один такт. Современные персональные компьютеры имеют разрядность 32 и 64.

Тактовая частота определяет скорость работы микропроцессора, т.е. число команд, которое он может исполнить за единицу времени. Тактовая частота выражается в мегагерцах или гигагерцах. Современные процессоры имеют тактовую частоту 2-4 ГГц.

Такт – время однократного срабатывания логического элемента (время выполнения минимальной функции).

Тактовая частота определяется генератором тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов – устройство, генерирующее последовательность электрических импульсов, частота которых определяет

тактовую частоту работы ЭВМ.

Внутренняя (системная) память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Внутренняя память компьютера включает постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, кэш-память.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM (от англ. Read Only Memory – память только для чтения) – это энергонезависимое запоминающее

устройство для хранения неизменяемой (постоянной) информации.

Информация в ПЗУ заносится на стадии его изготовления или последующего программирования и в процессе эксплуатации ЭВМ не изменяется. В ПЗУ заносятся программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы, программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера, программа настройки конфигурации компьютера, загрузчик операционной системы.

Содержимое ПЗУ часто называют BIOS (от англ. Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM (от англ. Random Access Memory – память произвольного доступа) – это энергозависимое запоминающее устройство для оперативной записи, хранения и считывания

40