Лекции по информатике / ТЕМА3-3

ТЕМА 3. ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ

ЛЕКЦИЯ 3.3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭВМ

Преобразование информации в ЭВМ производится электронными устройствами (логическими схемами), которые в общем случае имеют n входов для входных сигналов и m выходов, с которых снимаются выходные сигналы.

В свою очередь, логические схемы состоят из элементов. Элементом ЭВМ называется ее наименьшая функциональная часть, представляющая собой электронную схему и предназначенная для выполнения элементарных операций над битами двоичной информации.

По функциональному назначению различают следующие группы элементов: логические (вентили), запоминающие и вспомогательные.

Логические элементы ЭВМ предназначены для выполнения элементарных логических операций (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.п.) над битами двоичных кодов. Реализуемые ими логические функции вы будете подробно изучать в дисциплине «Математическая логика» на 2-ом курсе. Условное обозначение некоторых логических элементов имеет вид представленный на рис.3.1.

Для построения логических схем современных ЭВМ используются серии полупроводниковых логических элементов, обладающих свойством функциональной полноты, причем с целью большей унификации в качестве базового для построения логических схем используются один из вариантов:

• на основе элементов И-НЕ (штрих Шеффера) и ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса);

• и на основе элементов И, ИЛИ, НЕ.

схема ИЛИ, реализующая операцию дизъюнкции

схема И, реализующая операцию конъюнкции

схема НЕ, реализующая операцию инверсии.

Рис. 3.1. Условные обозначения основных логических элементов

Запоминающие элементы ЭВМ используются для хранения одного бита двоичного кода. В качестве запоминающих элементов в ЭВМ нашли широкое применение триггеры – электронные схемы с двумя устойчивыми состояниями, каждому из которых приписывается одно из значений бита (1 или 0). Сигналы, снимаемые с выходов триггера, имеют два уровня постоянного напряжения: верхний и нижний. Под воздействием управляющих сигналов, подаваемых на входы, триггер скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния равновесия в другое. Триггеры обычно реализуются на логических элементах типа И-НЕ или ИЛИ-НЕ с взаимно обратными положительными связями. Существуют несколько типов триггеров: RS-триггеры, JK-триггеры, D-триггеры, T-триггеры. Условное обозначение асинхронного RS-триггера имеет следующий вид:

Рис. 3.2. Условное обозначение асинхронного RS-триггера.

Вспомогательные элементы ЭВМ не выполняют функций, связанных с обработкой информации. К ним относятся элементы, обеспечивающие усиление сигналов (усилители), формирование определенной длительности или амплитуды сигналов (формирователи), генераторы синхронизирующих сигналов и т.п.

Некоторые ЭВМ содержит специальные элементы, предназначенные, например, для преобразования непрерывного сигнала в дискретный (цифровой) и наоборот – АЦП (ADC) и ЦАП (DAC).

2. КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ И ЦИФРОВЫЕ АВТОМАТЫ

Передача информации (двоичных кодов) между элементами осуществляется электрическими сигналами. При этом в импульсных элементах «1» представляется наличием импульса, а «0» – его отсутствием. В потенциальных элементах «1» представляется высоким значением электрического потенциала (уровня сигнала), а «0» – низким уровнем.

Передача сигналов между элементами (как и передача информации в вычислительных сетях) может представлять собой синхронизируемый или несинхронизируемый (асинхронный) процесс.

Синхронный способ используется только при передаче информации в запоминающие элементы.

При асинхронном способе передачи входные сигналы логических элементов преобразуются с небольшой задержкой в выходные сигналы, которые в свою очередь непосредственно воздействуют на входы следующих элементов схемы.

При синхронном способе входные сигналы воздействуют на запоминающие элементы в строго определенные моменты времени, соответствующие появлению синхронизирующих сигналов. При этом, как правило, для преобразования информации требуется несколько сдвинутых по времени относительно друг друга серий синхронизирующих сигналов (обычно 2 серии). В связи с этим такие преобразования называются многотактными (в частности, двухтактными). Обычно, когда сигналы одной серии принимают значение «1», сигналы другой – «0». Например, существуют однотактные, двухтактные и многотактные синхронные (синхронизированные) триггеры

Все логические схемы можно разделить на 2 класса:

• комбинационные схемы (комбинаторные схемы);

• цифровые автоматы (последовательные схемы).

В комбинационных схемах (КС) совокупность выходных сигналов (выходной двоичный код) в дискретный момент времени t_i однозначно определяется входными сигналами (входным кодом), поступившими на входы схемы в тот же дискретный момент времени. Таким образом, результат обработки информации в таких схемах зависит только от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу при подаче входной информации. Закон функционирования комбинационных схем полностью определен, если задано соответствие между входами и выходами, например, в виде таблиц или в аналитическом форме в виде логического выражения с использованием логических операций булевой алгебры. Они могут быть построены с применением только логических элементов (вентилей).

Более сложный класс логических схем составляют цифровые автоматы, которые в отличие от комбинационных схем имеют некоторое конечное число различных внутренних состояний. Под воздействием входного кода цифровой автомат переходит из одного состояния в другое и выдает выходной код. Причем в общем случае выходной код в данный дискретный момент времени определяется входным кодом, поступившим в этот момент времени на вход автомата и внутренним состоянием автомата, которое является следствием воздействия на автомат входных кодов в предыдущие дискретные моменты времени. Таким образом, цифровой автомат содержит память, которая фиксирует его состояние. Комбинационная схема память не имеет. Структурно цифровой автомат включает в себя комбинационную схему и запоминающие элементы.

Отдельный запоминающий элемент (например, триггер) можно считать элементарным цифровым автоматом.