11. Узлы комбинационного типа

(подлежит последующей модификации)

Основными узлами ЭВМ, реализованными на основе комбинационных схем и логических элементов и выполняющими функции преобразования информации, являются дешифраторы, шифраторы, сумматоры и счетчики (комбинационного типа), мультиплексоры узлы сдвига (сдвигатели). Для реализации каких-либо часто используемых отдельных видов преобразований, могут строиться специальные схемы преобразования или анализа кодов. В более сложных случаях могут строиться специальные схемы преобразования, например многовходовые сумматоры, ускоренные умножители, матричные преобразователи и пр.

Однако базовыми комбинационными схемами являются перечисленные выше узлы.

Дешифраторы представляют собой комбинационные схемы, предназначенные для реализации (пользуясь аналогией с математикой) операции выбора элемента из множества по коду (номеру) этого элемента. Т.е. дешифратор (обозначаемый Дш или DC – decoder) представляет собой схему с m входами и n выходами, где n > m, у которой при подаче на входы какой-либо комбинации нулей и единиц (какого-либо) кода, вырабатывается сигнал на одном и только на одном из ее выходов. (Конечно, можно построить подобие дешифратора, у которого сигнал будет вырабатываться сразу на нескольких выходах, но это будет уже не дешифратор, а преобразователь кода.).

Наиболее распространенный полный двоичный дешифратор c m входами имеет n = 2^m выходов. Чаще всего такие дешифраторы используются в запоминающих устройствах для выбора элементов (байтов, ячеек) памяти, по их адресу.

Дешифраторы могут строиться по-разному, в зависимости от желаемого соотношения затрат на их построение и скорости срабатывания, что может быть важно при большом количестве входов дешифратора. Обычно у дешифраторов также имеются дополнительные управляющие коды, разрешающие выдачу сигнала на выходе дешифратора.

Если рассматривать формально, то на каждом выходе дешифратора формируются логическая функция, представляющая собой конъюнкцию входных переменных, из которых прямые значения переменных соответствуют единичным входным сигналам, а инверсные – нулевым входным сигналам, вызывающим появление сигнала на соответствующем выходе.

Изображения дешифраторов на функциональных схемах также несколько различаются, в основном нумерацией и обозначением входов и выходов. Один из возможных вариантов показан на рис. 9,а. Стандартно, при изображении любых элементов и узлов на функциональных схемах их входы изображаются с левой, а выходы – с правой горизонтальной стороны прямоугольника.

Шифраторы представляют собой узлы, формально обратные дешифраторам. Их назначение состоит в формировании на своем выходе кода, соответствующего входу шифратора, на который поступил сигнал. Обычный двоичный шифратор, имеет n входов и m выходов, причем m = log₂ n. Чаще всего шифраторы используются для формирования кодов (номеров) поступающих входных сигналов, например, в схемах приема запросов прерывания. Однако существуют и специальные схемы шифраторов.

Также как и дешифратор, шифратор может иметь управляющие входы, разрешающие выдачу выходных сигналов.

Изображение шифраторов на функциональных схемах также аналогично. Один из возможных вариантов показан на рис. 9,б, причем в среднем поле изображения могут быть помещены символы Шф или CD (coder).

Рис.9. Узлы комбинационного типа: дешифратор (а), шифратор (б), сумматор (в) и мультиплексор (г)

Сумматоры представляют собой узлы, предназначенные для выполнения микрооперации суммирования чисел.

Существует довольно большое количество сумматоров различного типа. Эти различия сводятся, в основном, к следующим:

- способность сумматора сохранять полученную сумму: накапливающий и комбинационный сумматоры;

- способность одновременно суммировать все разряды слагаемых: параллельный (все разряды одновременно), последовательный (разряд за разрядом), параллельно-последовательный (промежуточный вариант);

- возможность выполнять другие микрооперации: простой сумматор, сумматор-вычитатель, десятичный сумматор, сумматор с возможностью выполнения логических операций и др.;

- количество одновременно складываемых слагаемых: два или более;

- некоторые другие особенности.

Самый простой комбинационный двоичный одноразрядный сумматор (точнее, полусумматор) реализует функцию сложения двух одноразрядных двоичных чисел и представляет собой схему реализующую функции исключающее-ИЛИ, формирующую одноразрядную сумму данного разряда, и функцию И, формирующую сигнал переноса в более старший разряд. Схема такого сумматора и его изображение показаны на рис. 10,а и б.

Однако непосредственно такой сумматор не позволяет построить схему для сложения многоразрядных чисел, так как двух входов недостаточно, чтобы сложить два числа с учетом переносов. Поэтому основу многоразрядных сумматоров составляет трехвходовый одноразрядный двоичный сумматор. Обозначение такого сумматора на функциональных схемах показано на рис. 10,в.

Многоразрядный (параллельный) комбинационный сумматор в простейшем случае состоит из n одноразрядных сумматоров, где n – разрядность суммируемых чисел. Сигнал с выхода переноса каждого разряда сумматора, кроме самого старшего, подается на вход соседнего более старшего разряда. Такое соединение показано на рис. 10,г. Это наиболее простой вариант построения цепей переноса, и такой сумматор называют сумматором с последовательными переносами. Его достоинство – простота, а недостаток – большое время суммирования, так как в пределе сигнал переноса может проходить по всем разрядам сумматора (например, при суммировании 11…11 + 1), что при большой разрядности суммируемых чисел требует большого времени. Поэтому сумматоры могут строиться и с более сложными схемами переноса.

Обозначение сумматора на функциональных схемах подобно обозначениям остальных узлов и показано на рис. 9,в.

Рис.10. Сумматоры: полусумматор (а), схема полусумматора (б), одноразрядный сумматор (в), многоразрядный сумматор с последовательными переносами (г)

Другими комбинационными узлами, используемыми для преобразования информации являются комбинационные счетчики и сдвигатели.

Первые, представляют собой упрощенный вариант сумматора и могут быть, например, выполнены из связанных цепями переноса полусумматоров. Конечно, существуют и другие виды счетчиков, выполняющие различные виды подсчетов. Счетчики могут строитmся и на основе триггеров, т.е. представлять собой узлы накапливающего типа.

Сдвигатели, используются для выполнения микроопераций сдвига информации. Причем сдвигатели комбинационного типа осуществляют сдвиг в момент передачи данных через себя, посредством передачи поступившего на вход i-го разряда бита информации на выход другого разряда, например, i+1-го при сдвиге вправо.

Еще одним узлом комбинационного типа, выполняющим функцию коммутации (передачи), является мультиплексор. Мультиплексор позволяет управлять выбором источника информации при передаче ее в один и тот же принимающий узел. Поэтому у простейшего мультиплексора имеется n одноразрядных входов данных, m-разрядный управляющий вход (вход адреса), причем m = log₂n, и один одноразрядный выход данных. При подаче на управляющий вход кода (номера входа данных), соответствующего одному из его входов, на выход мультиплексора передается информация с этого входа.

Кроме того, у мультиплексора, как и у других узлов, может присутствовать разрешающий вход V.

Обозначение мультиплексора на функциональных схемах показано на рис. 9,г.

Кроме перечисленных узлов, могут строиться и специальные комбинационные схемы, например, схемы, выполняющие логические операции, схемы анализирующие содержимое регистров или состояние шин на выполнение какого-либо соотношения (например, на равенство нулю) и др.

В тех случаях, когда узел комбинационного типа изображается на структурной, а не на функциональной схеме, могут использоваться обозначения, показанные на рис. 11.

Рис.11. Обозначения узлов ЭВМ на структурных схемах: произвольный узел (а), одновходовый узел комбинационного типа (б), двухвходовый узел комбинационного типа (в)