2. Базовая система элементов компьютерных систем

КС используют естественное представление чисел в позиционной системе счисления, поэтому при построении базовых элементов очень большое значение имеет выбор основания системы счисления. Как уже говорилось выше (см. главу 1), для построения цифровых устройств была выбрана двоичная система счисления. Одним из преимуществ двоичного представления являлось и то, что для проектирования устройств можно было использовать мощный аппарат алгебры логики – булевых функций.

П

ри построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трёх функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рис. 2.2 показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица – высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

3. Функциональные узлы компьютерных систем

   1. Элемент памяти

Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер илизащёлка. Оно строится на основе базового набора логических схем. На рис. 2.3 показана схема триггера. Он собран на четырех логических элементах: два элемента "логическое НЕ" (схемы 1 и 2)и два элемента "логическое И-НЕ" (схемы 3 и 4). Два последних элемента представляют собой комбинацию логических элементов "логическое И" и "логическое НЕ". Такой элемент на входе выполняет операцию логического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода. Сигнал на выходеQ соответствует значению, хранящемуся в триггере. Выходиспользуется при необходимости получить инверсное значение сигнала. ВходыSиR, предназначены для записи в триггер одного бита со значением ноль или единица.

Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе Qнизкий уровень сигнала). Единица на выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддерживают состояние выхода схемы 3 в состоянии нуля (). В свою очередь, ноль на выходе схемы 3 поддерживает единицу на выходе схемы 4 (). Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.

Для записи в триггер единицы подадим на входSединицу (рис. 2.4). На выходе схемы 1 получится ноль, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль (). Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на её выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входеS, на выходе схемы 3 всё равно будет высокий уровень. То есть триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входеSнеобходимо удерживать время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входеSустанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходеQ,, то есть сохраняет записанную в него единицу. Точно так же, подав единичный сигнал на входRможно записать в триггер ноль. Условное обозначение триггера показано на рис. 2.5.