20 Базовая система элементов компьютерных систем.

При построении функциональных узлов компьютерных систем используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций ( , , ), условные обозначения которых показаны на рис. 2.2. Мы уже знаем, что любую достаточно сложную логическую функцию можно реализовать, имея относительно простой набор базовых логических операций. Первоначально этот тезис был технически реализован "один к одному": были разработаны и выпускались микросхемы, соответствующие основным логическим действиям. Потребитель, комбинируя имеющиеся в его распоряжении элементы, мог получить схему с реализацией необходимой логики. Базовый логический элемент компьютера — это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию. На рис. 2.2, кроме того, показаны значения выходного сигнала в зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица — высоким. Таблицы истинности этих трех логических элементов приведены в табл. 1.13—1.15.

Кроме приведенных используются еще несколько простейших логических элементов: И-НЕ, ИЛИ-НЕ и операция исключающего ИЛИ. Схема И-НЕ состоит из элемента И и инвертора (НЕ), реализующего операцию отрицания. Связь между выходом и входами и схемы записывается следующим образом: и читается "инверсия и ". Условное обозначение схемы И-НЕ представлено на рис. 2.3,

21 Функциональные узлы компьютерных систем. Триггеры.

Основой ячейки памяти является функциональное устройство, которое может хранить бит информации сколь угодно долго и по команде может принять или выдать этот бит. Такие устройства называются триггерами. Термин "триггер" происходит от английского слова trigger — защелка, спусковой крючок. Триггер собирается из четырех логических элементов: два элемента "логическое НЕ" и два элемента "логическое И-НЕ".

Самый распространенный тип триггера — так называемый -триггер ( и соответственно от английских слов set — установка и reset — сброс). Он имеет два симметричных входа и и два симметричных выхода и . Входы предназначены для записи в триггер одного бита со значением ноль или единица. Сигнал на одном выходе соответствует значению, хранящемуся на триггере, сигнал на другом выходе используется для получения инверсного значения (рис. 2.4). Таблица истинности триггера дана в табл. 2.5.

Рис. 2.4. Условное обозначение -триггера

Рис. 2.5. -триггер: а — в состоянии хранения бита информации; б — запись в триггер единицы

Схема, приведенная на рис. 2.5, а, поддерживает значение бита, равное нулю. и  — входных сигналов нет. Тогда на входы элементов и , связанные с и , будет подана 1 и их выходной сигнал будет зависеть от сигналов на противоположных входах. Единица на выходе элемента и единица на выходе элемента поддерживают состояние выхода элемента в состоянии нуля. В свою очередь ноль на выходе элемента поддерживает единицу на выходе элемента . Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.

Таблица 2.5. Таблица истинности триггера

1	1	Запрещено
1	0	1	0
0	1	0	1
0	0	Хранение бита

Для записи в триггер единицы подадим на вход единицу (рис. 2.5, б). На выходе элемента получим ноль, который обеспечит на выходе элемента единицу. С выхода элемента единица поступит на вход элемента , на выходе которого значение изменится на ноль. Этот ноль на входе элемента будет поддерживать сигнал на его выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе , на выходе элемента все равно будет поддерживаться единица, т. е. триггер сохраняет записанную в него единицу.

Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта соответственно триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы таких устройств. Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить числа, осуществлять их передачу, а также выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называются регистрами.

Регистр — это набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Кроме того, в состав регистра входят схемы управления его работой. Рассмотрим схему -разрядного регистра хранения с синхронной записью и чтением (рис. 2.6). Этот регистр хранения содержит триггеров, образующих разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход "Сброс". Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала на вход "Запись". На тех входах , где присутствует единичный сигнал, произойдет запись единицы. Чтение из регистра также происходит синхронно подачей сигнала на вход "Чтение".

Рис. 2.6. -разрядный регистр

На основе регистров выполнены устройства, производящие основные логические и арифметические операции над числовыми данными. Такие устройства называются арифметико-логическими устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух целых чисел. Остальные операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде.