21.6. Сумматоры

Сумматором называют устройство, осуществляющее арифметическое сложение двоичных чисел. Сумматор является одним из основных элементов ЭВМ, выполняющим арифметические операции. Сложение многоразрядных двоичных чисел производится однотипными действиями, осуществляемыми в каждом разряде с помощью одноразрядного двоич­ного сумматора, схема которого приведена на рис. 21.18. В двоичном одноразрядном сумматоре путем сложения по модулю 2 определяется сумма чисел в каждом разряде. Операция сложения выполняется путем подачи соответствующих разрядов двух чиселна информационные входы D двухD-триггеров: Числа в триггеры записываются подачей тактового импульсаu_т на тактовые входы С обоих триггеров. Проанализируем, как осуществляется операция сло­жения.

Предположим, что После подачи тактового импульсаu_т эти числа переписываются на выходы D-триггеров. При этом на выходе элемента И₁ на входы которого поступают сигналы ибудет сигналНа входы элемента И₂ поступают сигналы иb₁ = 0, что обеспечивает на его выходе сигнал Сигналыпоступая на входы элемента ИЛИ, образуют сигнал, соответствующий сумме чисел

Если, например,то на выходе элемента И₁ вырабатывается сигнал , а на выходе элемента И₂ - В резуль-тате на выходе элемента ИЛИ сигнал суммыS=1. Аналогично формируется сигнал суммы в каждом разряде двоичного одноразрядного сумматора и при других сочетаниях входных чисел.

Для сложения многоразрядных двоичных чисел используют много­разрядные сумматоры, которые в зависимости от ввода чисел делятся на две группы: последовательного и параллельного действия. Сумматор последовательного действия состоит из одноразрядного сумматора (рис. 21.18), на входы которого последо­вательно (в последовательном коде) подаются числа каждого разряда начиная с младшего. Сумма, формируемая на выходе последовательного сумматора, также представляется в последовательном коде. Суммиро­вание осуществляется при поступлении тактовых импульсовu_т. При поступлении первого тактового импульса суммируются числа первого разряда, при поступлении второго тактового импульса — второго разря­да и т. д. Для сумматора последовательного действия характерно малое количество элементов, однако он обладает низким быстродействием.

Сумматор параллельного действия выполняется многоразрядным, его каждый разряд образован одноразрядным сумматором. Каждый одно­разрядный сумматор должен формировать сигнал суммы и сигнал пере­носа в старший разряд, если сумма, полученная при сложении двух чисел, превышает 1.

Схемы, позволяющие формировать сигнал переноса в старший разряд, называют полусумматорами. Полусумматор образуется путем добав­ления к схеме одноразрядного сумматора (рис. 21.18) элемента И₃, на выхо­де которого формируется сигнал переноса Еслиито на выходе элемента И₃ появляется сигнал переноса

21.7. Микропроцессоры

Успехи в области технологии и схемотехники больших интеграль­ных микросхем (БИС) обусловили создание универсальных БИС — микропроцессоров. Высокий уровень технических характеристик таких микропроцессоров, высокая надежность, низкая стоимость, малые габариты, малое потребление электроэнергии обеспечили широкое использование их не только в вычислительной технике, но и в разно­образных промышленных, бытовых и других устройствах.

Микропроцессор (МП) — это полупроводниковый прибор, предназначенный для обработки информации и управления, рассчитанный на совместную работу с устройствами памяти, ввода — вывода информации и другими периферийными устройствами.

Микропроцессор выполняется в виде БИС с программируемой логикой, для чего используются программы, обеспечивающие способ функционирования МП. Программы хранятся в памяти (МП). Способ функционирования изменяется путем замены одной программы на другую.

Микропроцессоры выполняют как на одной, так и нескольких БИС и помещают в корпус, от которого делают внешние выводы; таким образом, МП представляет собой законченное изделие. По своему составу и выполняемым функциям он аналогичен процессору ЭВМ, поэтому МП можно определить как процессор, реализованный средства­ми интегральной технологии в виде одной или нескольких БИС.

Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока внутренних регистров (внут­ренняя память), аппаратуры и шин, обеспечивающих связь внутренних устройств между собой и с внешней аппаратурой (интерфейс). Струк­турная схема микропроцессора показана на рис. 21.19. Арифметико-логическое устройство реализует простейшие арифметические и логи­ческие операции над числами и адресами, представленными в двоич­ном коде: сложение, вычитание, сравнение, сдвиги, логическое умно­жение (И), логическое сложение (ИЛИ) и т. п. Структура АЛУ достаточ­но сложна и содержит, как правило, сумматор по модулю 2, де­шифратор, сдвигающий регистр, регистр для временного хранения операндов (исходных элементов данных, над которыми выполняется операция) и другие регистры и элементы, которые содержатся в обыч­ных АЛУ. АЛУ различных МП отличаются друг от друга лишь деталями структуры и количеством регистров.

Устройство управления управляет работой АЛУ и всех других элементов МП. В нем поступающие из памяти команды преобразуют­ся в двоичные сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и обеспечивающие выполнение определенной команды. Устройство управления соединено с генератором тактовых сигналов (таймером), с помощью которого процесс выполнения команды рас­пределяется по времени.

Блок внутренних регистров образует внутреннюю сверхоперативную память МП и содержит специальные регистры и регистры общего назначения (РОН). Регистры связаны между собой и с другими внутрен­ними регистрами шинами. Специальные регистры — это накопительный регистр, регистр адреса, регистр состояний и др.

Регистры общего назначения предназначены для хранения проме­жуточных результатов, адресов и команд, возникающих в ходе выпол­нения программы. Кроме того, их используют для выполнения функций специальных регистров: формирования адресов, счетчика команд и др.

Шины служат для связи внутренних устройств между собой и с внешней аппаратурой (интерфейс). В соответствии с передаваемыми по ним сигналами они бывают информационными, адресными и управ­ляющими. Шина представляет собой группу линий связи, число которых соответствует разрядности одновременно передаваемой по шине двоичной информации.

Работа всех устройств МП подробно рассматривается в курсе «Электронные вычислительные машины». Как следует из определения МП и его структуры, он не может быть использован в качестве самостоятельного устройства. Для обеспечения его работы требуются внешняя память (запоминающие устройства), устройства ввода — вы­вода, таймер, источник питания и др. Поэтому обычно разрабаты­вают микропроцессорные системы (МПС) — совокупность МП, устройств памяти, ввода — вывода информации. Каждое из этих устройств выполняется на одном или нескольких кристаллах БИС. В состав МПС входит также источник питания, таймер и др. Такие системы могут обмениваться информацией с большим количеством периферийных устройств, к которым относятся печатающие устройства, дисплеи на электронно-лучевых трубках для графического отображения данных, панели ключевого управления, шаговые двигатели и др. МПС служит основой для создания микро-ЭВМ.Микро-ЭВМ — это конструктивно завершенная МПС, помещенная в корпус, имеющая панель управления и комплект математического обеспечения. Упрощенная схема микро-ЭВМ показана на рис. 21.20.

Микро-ЭВМ, как правило, выполняют на нескольких кристаллах БИС. Однако развитие технологии интеграль­ных микросхем и повышение степени интеграции в кристалле до 10000 элементов и более позволяют реализовать на одном кристалле всю микро-ЭВМ. Такие микро-ЭВМ обладают небольшим объемом памяти и несложными схемами каналов ввода — вывода, поэтому их используют для выполнения несложных функций.

Микропроцессорные системы находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Их применяют для управления и контроля производственных процессов в системах сбора данных, в станках с программным управлением, в системах обработки информации при решении научно-технических задач, в качестве универсальных и специализированных микро-ЭВМ, в технике связи, в измерительной тех­нике, в бытовой и профессиональной радиоаппаратуре и др.