VII. Элементная база компьютера.

Как уже говорилось, для возможности представления, передачи и хранения любой информации, она должна быть закодирована. Другими словами, каждому элементу информации должен быть поставлен в соответствие некоторый сигнал или символ (который, по сути, также является сигналом), т.е. материальный носитель информации.

В настоящее время, информация в компьютерах в подавляющем большинстве случаев хранится, обрабатывается и пересылается в двоичной форме, т.е. в виде кодов двоичного алфавита, в котором имеется всего две буквы {0,1}. Практическому распространению двоичного алфавита в компьютерах и вообще в цифровой информационной технике послужили два обстоятельства.

1. Физические устройства всего с двумя устойчивыми состояниями реализуются технически наиболее просто и обладают наибольшей надежностью и помехоустойчивостью.

2. Двум состояниям такого устройства можно поставить в соответствие как основные категории формальной логики – «истинно» и «ложно», так и арифметические значения 0 и 1.

Пользуясь же категориями «истинно» и «ложно» можно строить логические заключения в соответствии с законами формальной логики, а, имея цифры 0 и 1, можно закодировать в двоичной системе счисления любые символы и числа, и осуществлять в этой системе счисления арифметические операции. Следовательно, используя для кодирования информации двоичный алфавит, можно практически реализовать простые и надежные цифровые устройства, позволяющие осуществлять логическую и арифметическую обработку информации любой сложности.

Как уже говорилось, материальный носитель информации называется сигналом. В настоящее время, в подавляющем большинстве случаев, в качестве сигналов в компьютерах используются уровни электрического потенциала. Как правило, символу «0» соответствует низкий уровень электрического потенциала, а символу «1» - высокий его уровень. Поэтому аппаратная часть компьютеров, как цифровых систем обработки информации, состоит из совокупности технических элементов, физически реализующих эти два состояния электрического потенциала. Техническая реализация этих элементов может быть выполнена в самом различном виде: электромеханическом (в виде электромагнитных реле), магнитном (в виде перемагничивающихся сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса) или электронном. Самыми распространенными в настоящее время являются электронные элементы.

В основе любого современного цифрового автомата, в том числе и наиболее сложного, каковым является компьютер, как уже говорилось ранее, лежит небольшое количество типов элементарных схем, выполняющих элементарные логические функции: дизъюнкции, конъюнкции, инверсии и функции неравнозначности (исключенного «ИЛИ», или суммы по модулю 2). Техническими названиями физических элементов, реализующих эти элементарные функции, соответственно являются: дизъюнктор, конъюнктор, инвертор и полусумматор.

Эти простейшие логические элементы используются также и для формирования целого ряда быстродействующих запоминающих устройств компьютера.

Указанные элементарные логические элементы на функциональных схемах любых цифровых устройств изображаются в виде, показанном на рис. VII.1.

Рис.VII.1 Условные графические обозначения базовых логических

элементов.

Все основные цифровые узлы компьютеров собраны на базе этих элементарных схем. Эти основные цифровые узлы относятся к двум типам цифровых устройств: комбинационным и накапливающим. Комбинационными называются такие цифровые устройства, которые выдают выходные сигналы сразу же после подачи на его входы входных сигналов. (При этом не учитывается физическая задержка сигнала за счет конечности распространения электрического сигнала в реальных схемах). Функциональная связь между входными и выходными сигналами определяется только схемой данного комбинационного устройства. Таким образом, выходные сигналы в нем определяются только комбинацией входных сигналов. Поэтому этот способ обработки и называется комбинационным, а устройства, осуществляющие этот способ обработки, – комбинационными устройствами.

Если же устройство содержит элементы памяти, то выходной сигнал зависит не только от входных сигналов, но и от состояния запоминающих элементов в этот момент времени. Такой способ обработки информации называется накапливающим, а устройства, реализующие такой способ обработки, называют последовательностными устройствами, цифровыми автоматами или автоматами с памятью.

Компьютер – пример сложного цифрового автомата с памятью.

Рассмотрим принципы построения и условные графические обозначения основных функциональных цифровых узлов компьютеров.