2.2 Общие сведения об устройствах для обработки информации

Регистры, счетчики и дешифраторы являются наиболее распространенными функциональными узлами в устройствах вычислительной техники. Их используют для ввода и вывода цифровой информации, выполнения над ней различных операций. Каждый из этих узлов выполняет определенные функции. Узлы связаны между собой линиями связи, по которым передается цифровая информация. Передача информации осуществляется в виде кода, т. е. комбинации электрических сигналов.

В современной вычислительной технике логические и арифметические операции выполняются в основном над числами, представленными в двоичном коде, в котором используются лишь две цифры: 1 и 0. для представления одного разряда двоичного числа служит триггер, имеющий два устойчивых состояния, одно из которых принимается за единицу, другое - за нуль.

Передача цифровой информации по линии связи может осуществляться в виде параллельного кода по нескольким каналам одновременно либо в виде последовательной комбинации сигналов по одному каналу. В первом случае увеличивается быстродействие, во втором получается более экономичная схемная реализация.

Цифровые устройства строят из типовых узлов и логических элементов, представляющих собой интегральные микросхемы.

Передача цифровой информации из одного устройства в другое может осуществляться синхронно с тактовыми импульсами, когда сигнал воздействует на элемент в строго определенный момент времени, а именно в момент действия тактового импульса. Такие устройства называют синхронными. Если же выходной сигнал одного устройства непосредственно воздействует на следующий элемент, то такие устройства называют асинхронными.

Регистры. Для запоминания двоичного числа при выполнении арифметических и логических операций над ним служит устройство, называемое регистром. Регистр состоит из связанных между собой триггеров, количество которых равно количеству разрядов в запоминаемом числе. Все триггеры регистра находятся под воздействием общих сигналов управления. С помощью регистров выполняются такие действия над числами, как прием их из одного устройства и передача в другое, сдвиг числа в сторону старших или младших разрядов на требуемое количество разрядов, преобразование последовательного кода в параллельный или наоборот, хранение чисел и др. В регистре памяти число может храниться в течение определенного промежутка времени и неоднократно считываться при подаче соответствующей команды. Сдвиг числа также осуществляется при подаче соответствующей команды, каждый импульс которой продвигает число на один разряд.

Принципиальная схема простейшего трехразрядного регистра сдвига на RS-триггерах приведена на рис.6. На вход $ (установка триггера в состояние «1») подается сигнал с неинвертирующего выхода предыдущего триггера, а на вход К (установка триггера в состояние «0») — с инвертирующего выхода. Импульс команды сдвига подается одновременно на счетные входы С всех триггеров регистра и переводит каждый последующий триггер в состояние, в котором находился триггер предыдущего разряда. Инвертор на входе регистра служит для подачи входного сигнала Х на вход R первого триггера. Таким образом, каждый импульс команды сдвига «продвигает» число на один разряд вправо. Если, например, число вводится в регистр параллельным кодом, то с помощью операции сдвига на выходе регистра можно получить последовательный код того же числа. Операция сдвига используется в ЭВМ, например, для замены операции умножения одного числа на другое операциями сдвига и сложения.

Если замкнуть выход регистра сдвига на его вход, то получится так называемый кольцевой счетчик, в котором будут циркулировать записанные одна или несколько кодовых единиц. Максимальный коэффициент пересчета такого счетчика равен количеству входящих в него триггеров. Загрузка регистра сдвига числом в последовательном коде осуществляется путем подачи числа Х на вход первого триггера. Необходимо иметь в виду, что с каждым новым тактом сдвига на вход должен подаваться код следующего разряда числа Х.

Счетчики. Счетчиком импульсов называют функциональный узел, предназначенный для подсчета по некоторому основанию числа поступивших на вход импульсов. На рис.7 изображена принципиальная схема простейшего трехразрядного асинхронного двоичного счетчика на основе RS триггеров со счетным входом С. Каждый поступивший на вход импульс перебрасывает первый триггер в противоположное состояние. Выходной сигнал первого триггера служит входным сигналом для второго и т. д. Таким образом, кодовая комбинация по основанию «2» сигналов на выходах Q₁ Q₂ Q₃ будет соответствовать количеству поступивших на вход счетчика импульсов.

При необходимости вести счет по другому основанию используют обратные связи. В этом случае при подаче на вход последнего импульса в выбранном основании все триггеры переводятся в состояние «0» и счет начинается сначала. Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подать сигнал с инвертирующего выхода предыдущего триггера, то счетчик будет осуществлять операцию вычитания, т. е. будет вычитающим. Счетчики, способные выполнять функции сложения и вычитания, называются реверсивными.

Дешифраторы. Дешифратором называют цифровое логическое устройство, имеющее в общем случае п входов и 2ⁿ выходов, где каждому значению двоичного кода на входе соответствует сигнал на одном вполне определенном выходе. На остальных выходах сигналы отсутствуют.

Дешифраторы используют, как правило, для преобразования двоичного кода числа в сигнал управления на соответствующей шине теми или иными устройствами (арифметическими, логическими и т. д.). Функционирование дешифратора, например на три входа и восемь выходов, описывается следующей системой логических уравнений:

Такой дешифратор может быть построен с помощью восьми трехвходовых логических элементов И (рис.8, а), либо восьми трехвходовых элементов И—НЕ (рис.8,б).

Используя логические элементы, можно реализовать и обратную функцию, когда при подаче сигнала на определенный вход устройства можно получить на его выходе соответствующую кодовую комбинацию двоичного числа. Такие устройства называют шифраторами.