2 Простейшие типовые элементы вычислительных машин

Как правило, в структуре ВМ выделяют следующие структурные компоненты: элементы, блоки, узлы и устройства. Такая декомпозиция соответствует операциям преобразования информации. Нижний уровень реализуется элементами, каждый из которых предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. В основе работы этих элементов лежит двоичная (булева) логика, когда используются только два значения: «истина» (логическая 1) и «ложь» (логический 0). Узлы обеспечивают одновременную обработку групп сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую функционально обособленную часть машинных операций по обработке информационных слов (например, блок выборки команд). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Базовыми элементами являются инверторы (строятся на основе транзистора), вентили (на базе двух транзисторов), триггеры (состоят из двух вентилей).

По своему назначению элементы делятся на следующие классы: формирующие, логические (комбинационного типа) и запоминающие (последовательного типа) /5/. К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители и т.п., которые служат для выработки определённых электрических сигналов, восстановления их параметров (полярности, мощности, амплитуды и т.д.). Элементы комбинационного типа – это цифровые устройства, выполняющие определённую логическую операцию («И», «ИЛИ», «НЕ» и т.д.). Логические элементы являются основой построения комбинационных схем (цепей). Особенностью логических элементов и построенных на их основе комбинационных схем является то, что их выходные сигналы зависят только от входных сигналов (т.е., они не содержат памяти). Элементы последовательного типа используются для построения более сложных цифровых устройств – автоматов с памятью. В них результат обработки информации зависит не только от входных сигналов, но и от внутреннего состояния автомата.

Рассмотрим элементы последних двух классов более подробно.

2.1 Комбинационные схемы

Для описания законов функционирования комбинационных схем используется специальный математический аппарат булевой логики. Рассмотрим функционально полную систему булевых функций и реализующие их логические элементы /5, 10/.

1) Конъюнкция (логическое умножение) .

Эта функция реализуется логическим элементом «И» - вентилем, на выходе которого формируется уровень логической 1 тогда и только тогда, когда на все его входы будет подан уровень логической 1.

Условное обозначение логического элемента «И» представлено на рисунке 2.1, а закон функционирования отражает таблица 2.1.

Рисунок 2.1 – Логический элемент «И»

Таблица 2.1 – Таблица истинности «И» X1 X2 Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

2) Дизъюнкция (логическое сложение) .

Эта функция реализуется логическим элементом «ИЛИ» - вентилем, на выходе которого формируется уровень логического 0 тогда и только тогда, когда на все его входы будет подан уровень логического 0.

Условное обозначение логического элемента «ИЛИ» представлено на рисунке 2.2, а закон функционирования отражает таблица 2.2.

Рисунок 2.2 – Логический элемент «ИЛИ»

Таблица 2.2 – Таблица истинности «ИЛИ» X1 X2 Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1