1.Способы представления цифровой информации. Основные характеристики элементов эвм. Логическая модель элементов с потенциальным представлением информации.

Три способа представления двоичного алфавита:

1) Потенциальный;

2) Импульсный;

3) Динамический.

ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Задаются два уровня напряжения. Тут возможны различные подходы. Например, высокому уровню мы можем сопоставить значение "1", а низкому уровню - значение "0". Это будет так называемая положительная логика. Но можно сделать и наоборот. Можно сопоставить низкому уровню напряжения "1", а высокому "0". Это отрицательная логика. Поэтому соотносить "1" и "0" как числа - невозможно; это не числа - это символы алфавита. Возьмём два разных тактовых импульса - в один момент была "1", в другой "0"; а если мы возьмём какой-то промежуточный момент времени, то здесь получился бы уровень напряжения, который находится между уровнем "1" и уровнем "0". С точки зрения двоичной логики - это полная неопределённость. Поэтому при представлении информации в потенциальном виде, всегда нужно задавать коридор напряжений - нижний и верхний уровень напряжения, соответствующий символу "1" и символу "0". А все остальные уровни напряжения, которые выходят за рамки этого коридора, они считаются недопустимыми при использовании двоичного алфавита.

ИМПУЛЬСНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

(Было характерно для 1960-х годов, когда использовались ферритовые сердечники для организации памяти ЭВМ - в распределительных и счётных схемах бесконтактных переключателей. - по книге "Телеграфные устройства на бесконтактных переключателях" под редакцией П.А. Котова, 1964 г.)

В тактовый момент времени возникает кратковременный импульс - либо импульс тока, либо импульс напряжения. Если в определённые моменты времени (такты) регистрируется импульс - это соответствует сигналу "1"; если импульса нет - это соответствует "0". Такое представление информации соответствует биполярному представлению импульсов (??) - импульсы либо положительной полярности, либо вовсе отсутствуют. Возможно ещё представление информации в импульсном виде с использованием двухполярных импульсов (импульсов различных полярности): импульс отрицательной полярности соответствует "0", положительной полярности - единице. Это импульсное представление информации при использовании двухполярных импульсов.

ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

В промежутках между тактовыми импульсами возникают периодические изменения одного из параметров - например, напряжения. Между тактовым моментом первым и тактовым моментом вторым на выходе элемента возникают гармонические колебания. Наличие таких колебаний будет соответствовать символу "1". Вот, например, между тактовым моментом 2 и 3 у нас никаких колебаний нет - это будет соответствовать символу "0". Между тактовым моментом 3 и 4 мы будем считать, что задаём "1". Это – динамическое управление информацией.

Кроме того, ноль и единица при динамическом представлении информации могут соответствовать колебаниям различной частоты. Например, "0" соответствуют колебания одной частоты, а "1" – другой (допустим, в 2 раза меньше или в 2 раза больше). Возможно определение "0" и "1" по фазе сигнала в тактовый момент времени. Наличие "1" – соответствует одной фазе, наличие "0" - другой. Кстати, так называемые би-импульсные (??) сигналы – представление информации в двоичном алфавите с помощью изменения фазы - используют в интернетовских (???) системах передачи данных (по ним осуществляется Internet).

СИНХРОНИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ при различных видах представления информации:

Необходимо отметить, что для потенциального представления информации необходимо обязательно наличие синхросигналов. Без наличия этих сигналов информация не будет восприниматься. То же самое можно сказать о биполярном импульсном представлении информации. А если мы будем использовать двухполярное импульсное представление информации, то такое представление является самосинхронизирующимся. Здесь действительно - тактовый момент времени можно всегда сопоставить с наличием импульса - наличие импульса говорит о том, что возник тактовый момент времени. Потому как и при "1", и при "0" всегда возникает импульс. Различное представление двоичного алфавита сопровождается так называемыми кодовыми посылками. То есть способы представления импульсов можно разделить на два больших класса - самосинхронизирующиеся и несамоминхронизирующиеся.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Когда мы создаём цифровой узел (цифровой автомат или какое-то устройство), мы должны использовать элементную базу.

При проектировании цифровых устройств используется три вида элементов:

1) Логические элементы. Характеризуют переключательные функции - то есть функции, которые имеют область значений, лежащую в рамках двоичного алфавита. То есть у этих функций могут быть значения либо "0", либо "1". Аргументом для логических функций тоже являются двоичные сигналы. Логические элементы ориентированы на реализацию переключательных функций;

2) Элементы памяти. Из названия уже понятно, что это элементы, способные сохранять информацию. Элементы памяти могут быть построены либо на активных компонентах, либо на пассивных компонентах. Как правило, элементами памяти современной цифровой техники являются триггерные схемы - это память на активных элементах. Пассивным элементом памяти является магнитный носитель информации (те же самые жёсткие диски, floppy и т.п.). Я не буду об этом говорить - это всё уже фактически устарело - но сохранились ещё машины с магнитной памятью на ферритовых сердечниках; с памятью большой ёмкости на магнитной ленте и т.д.;

3) Вспомогательные элементы. Вспомогательные элементы выполняют функции, например, начального генератора тактовых импульсов, схема формирования сигналов (по длительности, по амплитуде) - установление формы сигнала, установление мощности. Эти элементы являются вспомогательными для реализации цифровой техники. В силу того, что цифровая техника использует двоичный алфавит, для проектирования (анализа и синтеза) цифровых схем очень удобно пользоваться понятиями булевой алгебры, которая оперирует всегда с двоичным алфавитом. Поэтому те следствия, которые возникают из теории булевой алгебры и теории переключательных функций, используются в качестве теоретической основы для проектирования цифровой техники.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Все цифровые элементы делятся на 2 класса: комбинационные схемы (КС) и последовательные схемы. Комбинационные схемы не зависят от времени; состояние выходов однозначно определяется только комбинацией входных сигналов: F1 = f (X1,..., Xn) .

Примеры КС: логические; комбинационный сумматор (SM), шифраторы, дешифраторы (DS - на выходе - унитарный код: 001000 или 110111), мультиплексор (MUX - коммутатор - коммутирует один из входов на выход), демультиплексор (DMX).

Последовательносные схемы - схемы с предысторией и памятью, состояние выходов у которой определяется комбинацией входных сигналов и их комбинацией в предыдущие моменты времени.

Примеры последовательносных схем: триггеры (T); регистры (RG); счётчики (CT), элементы памяти.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭВМ:

1. быстродействие (число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду)

2. надёжность (способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени)

3. наличие памяти (оперативной, внешней) и её объём (возможно, скорость)

4. производительность (объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени)

5. точность (возможность различать почти равные значения)

6. достоверность (свойство информации быть правильно воспринятой)

7. потребляемая мощность

Надёжность всей системы в целом зависит от произведения надёжности всех входящих в неё элементов, который априори меньше единицы.

При заключении схемы в кристалл, надёжность определяется только самим кристаллом (тем самым повышая процент надёжности).