книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

Г л а в а V

УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

§ 5.1. Регистры

Регистром называется узел, предназначенный для приема, хра­ нения и выдачи кода одного «-разрядного слова. Регистры ис­ пользуются также для преобразования последовательного кода слова в параллельный и, наоборот, для сдвига кода на определен­ ное количество разрядов вправо или влево, что бывает необходимо при нормализации чисел и выполнении над ними арифметических операций. В регистре для каждого разряда хранимого слова имеется один вход и один или два выхода, если слово должно выда­ ваться в прямом и в обратном кодах. Кроме того, предусматри­ ваются отдельные входы для сброса регистра в нулевое состоя­ ние и сдвига хранимого слова. Эти входы объединяются для всех разрядов регистра. Различают сдвигающие регистры, в которых возможен сдвиг хранимого слова, и регистры без сдвига.

Триггерные регистры без сдвига. На регистр без сдвига возла­ гаются функции приема, хранения и выдачи кода одного «-разряд­ ного слова. Эти функции сводятся к приему, хранению и выдаче

« однобуквенных слов xi (i= l, «), поэтому «-разрядный регистр без сдвига можно рассматривать как совокупность одноразрядных регистров, имеющих общие цепи сброса, а также цепи для подачи

используются триггеры с кодовыми входами, так как при этом по­ лучается наиболее простая схема регистра.

Перед записью слова регистр сбрасывается в нулевое положе­ ние сигналом w, который поступает на нулевой вход всех тригге­ ров. Слово Х = хпхп~1 ... х ‘+'х'х'-' ... х2х \ которое необходимо за­ писать в регистр, подается в параллельном коде на входные схемы совпадения Hi и пропускается через них на единичные входы триг­ геров регистра при подаче управляющего импульса записи it. Со­ стояние регистра при хранении записанного в нем слова характе­ ризуется распределением статических сигналов на парафазных

151

Считывание кода хранимого слова может осуществляться мно­ гократно, так как вентили прямого и обратного кодов связаны со статическими выходами триггеров, которые при считывании не из­ меняют своего состояния. ,

152

Время, необходимое для записи числа в регистр, определяется временем задержки кодовых сигналов х { входными вентилями И( и временем переходных процессов в триггере

так как

Время считывания определяется временем задержки сигналов при прохождении через элементы И2 (или И3) и ИЛИ:

Триггерные сдвигающие регистры. Каноническое уравнение для

во, так и вправо. Статический сигнал с единичного выхода каж­ дого триггера регистра поступает на элемент И2, участвующий в сдвиге кода вправо, и на элемент И4, участвующий в сдвиге кода влево. С нулевого выхода триггера статический сигнал поступает на элементы Из (сдвиг вправо) и И5 (сдвиг влево).

Работу схемы рассмотрим на конкретном примере. Пусть в триг­ герах Тг‘+1, Тг', Тг' -1 регистра записан код 101 и его необходимо сдвинуть вправо на один разряд. В этом случае высокий потенциал будет на единичном выходе триггеров Тг'+|, Тг' -1 и на нулевом вы­ ходе триггера Тг1'. При подаче сдвигающего импульса он проходит через открытые вентили И2, связанные с единичными выходами триггеров Tri+I и Тг*-1, и устанавливает триггеры Тг‘ и Тг1'-2 (на схеме не показан) в единичное положение. Импульс г проходит также через элемент Ид, связанный с нулевым выходом триггера

Тг', устанавливая триггер Тг*-1 в нулевое положение. После про­ хождения сдвигающего импульса г состояние триггера Тг*+1 опре­ деляется тем, в каком положении находился триггер соседнего старшего разряда. Вследствие инерционности процессов при пере-

153

бросе триггера сдвигающий импульс успевает пройти через соот­ ветствующий элемент И, прежде чем триггер будет установлен в

-0W

Рис. 5.2. Триггерные сдвигающие регистры:

а — однотактныП; б — двухтактны!!

[(такт) сдвигающих импульсов каждый триггер регистра перебра­ сывается только один раз, поэтому такие регистры называются однотактными. Сдвиг хранимого слова влево при подаче сдвигаю­ щего импульса s осуществляется аналогично. Для сдвига слова

154

на К разрядов влево или вправо необходимо подать соответствен­ но К импульсов s или г.

Уравнения входов для г-го разряда сдвигающего регистра имеют

В АУ при выполнении арифметических операций часто возни­ кает необходимость при подаче одного сдвигающего импульса сдвигать код слова, записанного в регистре, сразу на два разряда. Для этого используются регистры со сдвигом на два разряда.

Тр-2, Тг1'-3.

Параллельный код слова преобразуется в последовательный код следующим образом. При подаче управляющего импульса it

сигналы л:1' (t= I, п) параллельного кода «-разрядного слова через элементы И) проходят на единичные входы соответствующих триг­ геров, предварительно установленных в нулевое положение, и в ре­ гистре фиксируется поданное на вход слово. После этого пода­ ются п сдвигающих импульсов г, в результате чего с единичного выхода триггера младшего разряда регистра снимаются сигналы, представляющие последовательный код слова. Частота этих сигна­ лов равна частоте сдвигающих импульсов.

В случае обратного преобразования сигналы последовательного кода слова, начиная обычно с младшего разряда, подаются на единичный вход триггера старшего разряда регистра. После записи кода младшего разряда слова в триггер старшего разряда реги­ стра подается первый сдвигающий импульс г, который сдвигает код на один разряд вправо, т. е. переписывает младший разряд слова в соседний справа триггер. Затем в триггер старшего раз­ ряда записывается код второго разряда слова и после окончания переходных процессов подается второй сдвигающий импульс и т. д. Таким образом, поочередная подача кодовых сигналов и сдви­ гающих импульсов обеспечивает продвижение кода вдоль регистра до тех пор, пока младший разряд слова не будет записан в триг­

вающие выдачу кода, не показаны). Сброс регистра в нулевое состояние осуществляется импульсом, подаваемым в шину w.

В двухтактном сдвигающем регистре (рис. 5.2, б) используются только единичные выходы триггеров и число элементов И, участ­ вующих в сдвиге слова вправо или влево, сокращено вдвое. Име­ ются дополнительные элементы — линии задержки, число которых определяется разрядностью регистра. Нулевые входы всех триггеров

155

объединяются и подключаются к шинам, по которым подаются сдвигающие импульсы (г, s) и импульсы сброса в нулевое поло­ жение (до). В общем случае при подаче одного сдвигающего импульса каждый триггер регистра перебрасывается дважды. Сна­ чала (в первом полутакте) он устанавливается в нулевое положе­ ние, а затем (во втором полутакте) вновь возвращается в единич­ ное положение, если на его единичный вход поступает импульс переноса из соседнего старшего или соседнего младшего разряда.

Если, например, необходимо код слова 111, записанного в триг­ герах Тг1+1, Тг’, Тг’-1 регистра, сдвинуть на два разряда вправо, то для этого подаются два импульса г. Первый сдвигающий им­ пульс проходит через открытые вентили И[+1, И(, И'-1 и далее

в линии задержки. Этот же импульс поступает на нулевые входы триггеров и перебрасывает их из единичного в нулевое положе­ ние. Сдвигающий импульс успевает пройти через вентили до того, как вследствие переброса триггера на его единичном выходе нач­ нет падать потенциал. Пройдя через линии задержки, сдвигающий импульс, представляющий собой импульс переноса, поступает на единичные входы триггеров Тг’-1, Тг’-2 (последний на схёме не показан) и устанавливает их в положение кода 1. Линии задерж­ ки в схеме регистра обеспечивают задержку импульсов на время, необходимое для окончания в триггерах переходных процессов, вы­ званных сдвигающим импульсом при поступлении его на нулевые входы триггеров. Таким образом, после окончания действия пер­ вого сдвигающего импульса код слова 111 оказался сдвинутым на один разряд вправо: код 1 из триггеров Тг1-1, Тг’, Tri+I переписан соответственно в триггеры Тг1-2, Тг’-1, Тг», а триггер Tri+1 уста­ новлен в нулевое положение.

Второй сдвигающий импульс проходит через вентили И), И')-2, связанные с триггерами Тг1', Тг’-1, Тг’-2, и не проходит через вентиль №+’, связанный с триггером Тг’+1, так как на его еди­

ничном выходе низкий потенциал. Вследствие этого после оконча­ ния всех, переходных процессов код слова сдвигается еще на один разряд вправо.

Таким образом, в двухтактных сдвигающих регистрах частота переброса каждого триггера вдвое больше частоты сдвигающих импульсов.

Упрощение схемы двухтактного регистра (на рис. 5.2,6 цепи, обеспечивающие прием и выдачу кода слова, не показаны) по сравнению с однотактным достигается за счет уменьшения быстро­ действия. Действительно, в однотактном регистре время сдвига «ода на п разрядов вправо или влево определяется по формуле

В двухтактном регистре, если принять, что тл.з+тэ = ттт (тл.з — время задержки сигнала в линии задержки),

156

т. е.

двухтактном регистрах (для сдвигающих импульсов s имеем

Та\=-ТГ], Ts2=Tr2).

У схем регистров на интегральных логических элементах нет принципиальных отличий от рассмотренных схем. Однако некото­ рые особенности имеются и вызваны они, главным образом, тем, что современные комплексы интегральных логических элементов, как правило, не содержат элементов И, ИЛИ, НЕ, а состоят из универсальных элементов И — ИЛИ — НЕ, И — НЕ, ИЛИ — НЕ. Поскольку каждый из таких универсальных элементов является инвертирующим, необходимо изменение входных цепей регистра. С вариантами построения схем регистров на потенциальных эле­ ментах в интегральном исполнении можно познакомиться, напри­ мер, в [24].

§ 5.2. Счетчики

Счетчиком называется узел, обеспечивающий подсчет поступаю­ щих на его вход импульсов. В счетчике имеется один вход X и п выходов (уп, уп~1, ..., г/1), число которых определяется из соот­ ношения

причем п округляется в большую сторону до целого числа. В урав­ нении (5.13) величина Кеч называется коэффициентом пересчета или модулем счета.

В ЦВМ счетчики применяются в устройствах управления для формирования адреса ячеек запоминающих устройств, в которых хранятся команды и программы, в аналого-цифровых преобразо­ вателях для фиксации получаемого кода, во внешних устройствах и т. д.

Различают счетчики суммирующие, вычитающие и реверсивные. В суммирующих счетчиках счет производится в прямом направле­ нии, т. е. в направлении сложения поступающих на вход импуль­ сов с тем числом, которое до этого хранилось в счетчике. Вы­ читающие счетчики вычитают число поступивших импульсов из начального числа. В реверсивных счетчиках имеется схема переклю­ чения, которая по управляющим сигналам переключает счетчики на работу либо в режиме сложения, либо в режиме вычитания.

Наиболее распространенными являются триггерные счетчики на статических триггерах со счетным входом. Для построения счет­ чиков применяются также динамические триггеры, феррит-транзи- сторные и феррит-диодные ячейки.

157

Суммирующий и вычитающий счетчики. Суммирующий счетчик (рис. 5.3, а) составляется из последовательно соединенных тригге­ ров, каждый из которых служит для представления одного разря­ да фиксируемого в счетчике числа. Используются только единич­ ные выходы триггеров. Связь единичного выхода триггера (i— 1)-го разряда со счетным входом триггера i-ro разряда осу­ ществляется через дифференцирующую цепь Д.

а

6

Рис. 5.3. Триггерные счетчики:

а — суммирующий; б — вычитающий

Импульсы, подлежащие счету, подаются на счетный вход триг­ гера младшего разряда Тг1, который является входом X для всего счетчика. Первый импульс переводит триггер Тг1 в состояние 1, причем на его единичном выходе имеет место положительный пере­ пад напряжения, а на входе триггера Тг2— положительный им­ пульс, который не изменяет состояния последнего (полагаем, что для триггеров пусковыми являются импульсы отрицательной по­ лярности). Второй входной импульс переводит триггер Тг1 из еди­ ничного положения в нулевое. При этом на входе триггера Тг2 появляется импульс переноса отрицательной полярности, устанав­ ливающий его в единичное положение. Таким образом, после окон­ чания переходных процессов в триггерах, вызванных вторым вход­ ным импульсом, показание счетчика будет 010. Легко убедиться,

158

что после третьего входного импульса показание счетчика будет 011, после четвертого — 100 и т. д. Всякий раз при перебросе триггера из положения 1 в положение 0 на его единичном выходе возникает импульс переноса в триггер соседнего старшего раз­ ряда.

Триггер ТгI перебрасывается в противоположное состояние с приходом каждого входного импульса, триггер Тг2 — с приходом каждого второго входного импульса, триггер ТгЗ — с приходом каждого четвертого импульса и т. д. Если суммирующий счетчик имеет п разрядов, то лишь после подачи 2п входных импульсов на единичном выходе триггера старшего разряда уп появляется первый сигнал. Следовательно, коэффициент пересчета такого счет­ чика равен 2".

К о э ф ф и ц и е н т о м п е р е с ч е т а счетчика Кеч называется отношение частоты импульсов, подаваемых на его вход, к частоте импульсов, образующихся на выходе уп.

Счетчик, у которого /(Сч = 2п, имеет 2" устойчивых состояний. Для трехразрядного суммирующего счетчика {Ксч= 8) эти состоя­ ния могут быть выражены возрастающей последовательностью

Считывание числа, записанного в счетчике, осуществляется так же, как и в регистрах, т. е. в прямом коде с единичных выходов

соединяется не с единичным, а с нулевым выходом триггера Тг!'-1. Импульс переноса в триггер Тг‘ появляется при переходе тригге­ ра Tri_1 из нулевого положения в единичное. Каждый входной импульс уменьшает показание вычитающего счетчика на единицу. Если, например, в счетчике записано число 100, то первый входной импульс перебрасывает триггер Тг1 из нулевого в единичное поло­ жение. Возникающий на его выходе импульс переноса переводит триггер Тг2 также в единичное положение. Наконец, образован­ ный в результате переброса триггера Тг2 импульс переноса пере­ водит триггер ТгЗ из единичного положения в нулевое. После окон­ чания переходных процессов показание счетчика будет 011. Вто­ рой входной импульс уменьшает показание счетчика еще на еди­ ницу и т. д. Если на вход вычитающего счетчика, находящегося в нулевом положении, подать импульс, то все его триггеры уста­ навливаются в положение 1.

Быстродействие суммирующего и вычитающего счетчиков огра­ ничивается максимальной скоростью переброса триггера младшего разряда и зависит, кроме того, от времени передачи импульсов переноса по цепи счетчика. В худшем случае, когда имеет место последовательная передача импульсов переноса от младшего

159