4. Логические элементы и узлы

Логические элементы

Базисный набор может быть сформирован различными способами, но чаще всего используется классическая "тройка" логических операций И, ИЛИ, НЕ.

Часто к указанному списку добавляют еще элемент "исключающее ИЛИ" (схема d), который позволяет сравнивать двоичные коды на совпадение.

Отметим, что на практике логические элементы могут иметь не только два, но и значительно большее ко

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000личество входов.

Логические узлы

В качестве характерных цифровых узлов выберем два наиболее важных и интересных — сумматор и триггер. Первый из них замечателен тем, что составляет основу арифметико-логического устройства процессора, а второй, будучи универсальным устройством, для хранения одного бита информации, имеет еще более широкое применение — от регистров процессора до элементов памяти. Выходные сигналы сумматора определяются исключительно установившимися на входе напряжениями и никак не зависят от поступавших ранее сигналов. Состояние триггера, напротив, зависит от предыстории, т.е. схема имеет память.

Рассмотрим логическую схему сумматора. Для простоты ограничимся изучением работы отдельного двоичного разряда. В этом случае сумматор будет содержать три входа — бит первого слагаемого А, второго — В и перенос из предыдущего разряда С. (обозначение происходит от английских слов Carry in — входной перенос), и два выхода — результирующая сумма S и выходной перенос С (Carry out). Таблица истинности для полного одноразрядного сумматора имеет вид:

Перейдем теперь к описанию работы триггера.

При построении практической схемы оказывается удобным сумматор представить в виде двух полусумматоров, первый из которых складывает разряды А и В, а второй к полученному результату прибавляет бит переноса из предыдущего разряда С. Таблица истинности для полусумматора значительно упрощается:

Несложный анализ таблицы показывает, что для реализации полусумматора достаточно соединить параллельно входы двух логических элементов: И и исключающее ИЛИ. Если скомбинировать два полусумматора, то получится полный сумматор, способный осуществить сложение одного бита чисел с учетом возможности переноса.

Перейти к многоразрядным числам можно, например, путем последовательного соединения соответствующего количества сумматоров.

Сумматор играет важную роль в реализации не только сложения, но и других арифметических действий — он фактически является основой арифметического устройства современного компьютера.

Триггер собран из четырех логических элементов И-НЕ, причем два из них играют вспомогательную роль инверторов входных сигналов.

Как работает триггер? Пусть на входе R установлена 1, а на S — 0. Логические элементы D1 и D2 инвертируют эти сигналы, т.е. меняют их значения на противоположные. Поскольку на одном из входов D4 имеется 0, независимо от состояния другого входа на его выходе обязательно установится 1. Эта единица передается на вход элемента D3 и в сочетании с 1 на другом входе порождает на выходе D3 логический 0. Итак, при R= 1иХ=0 на прямом выходе триггера устанавливается 0, а на инверсном — 1.Обозначение состояния триггера по договоренности связывается с прямым выходом. Тогда при описанной выше комбинации входных сигналов результирующее состояние можно условно назвать нулевым: говорят, что триггер устанавливается в 0 или сбрасывается. Сброс по-английски называется Reset, отсюда вход, появление сигнала на котором приводит к сбросу триггера, принято обозначать буквой R.

Аналогичные рассуждения для "симметричного" случая R = 0 и S = 1 приводят к тому, что, наоборот, на прямом выходе получится логическая 1, а на инверсном — 0. Триггер перейдет в единичное состояние — установится (установка по-английски Set).

Комбинация входных сигналов R = 1 и S = 1 приводит к тому, что в этом случае на обоих выходах триггера установится 1! Такое состояние, помимо своей логической абсурдности, еще и является неустойчивым: после снятия входных сигналов триггер случайным образом перейдет в одно из своих устойчивых состояний. Вследствие этого комбинация R = 1 и S = 1 на практике не используется и является запрещенной.

Подобно тому, как объединяются для обработки двоичных чисел однобитовые схемы сумматоров, для хранения многоразрядных данных триггеры объединяются в единый блок, называемый регистром. Над регистром, как над единым целым, можно производить ряд стандартных операций: сбрасывать (обнулять), заносить в него код и некоторые другие. Часто регистры способны не просто хранить информацию, но и обрабатывать ее.

С выходов триггеров регистра сигналы могут поступать на другие цифровые устройства. Особый интерес с точки зрения принципов функционирования компьютера представляет схема анализа равенства (или неравенства) регистра нулю, которая позволяет организовать по этому признаку условный переход.

Триггеры очень широко применяются в компьютерной технике, на их основе могут еще изготовляться быстродействующие ИМС статического ОЗУ (в том числе кэш-память).

5. Операционная система. Внешняя и внутренняя память. система — это важнейшая часть системного программного обеспечения, которая организует прогресс выполнения задач на ЭВМ, распределяя для этого ресурсы машины, управляя работой всех ее устройств и взаимодействием с пользователем.

Роль (ОС) можно представить себе с помощью следующей схемы. В центре компьютер, Внешней оболочкой является разнообразное программное обеспечение. ОС организует совместную работу двух указанных составляющих.

Существование ОС очень облегчает разработку нового ПО.

ОС современного компьютера выполняет следующие функции.

• Организация согласованного выполнения всех процессов в компьютере.

• Планирование работ, распределение ресурсов.

• Организация обмена с внешними устройствами.

• Хранение информации и обеспечение доступа к ней, предоставление справок.

• Запуск и контроль прохождения задач пользователя.

• Контроль за нормальным функционированием оборудования. Реакция на ошибки и аварийные ситуации.

• Обеспечение возможности доступа к стандартным системным средствам

• Обеспечение общения с пользователем.

• Сохранение конфиденциальности информации в многопользовательских системах.

Первые ОС для микроЭВМ четвертого поколения (СР/М, MS-DOS, Unix) ОС с командной строкой.

Командная строка была вытеснена графическим интерфейсом, когда объекты манипуляций ОС изображаются в виде небольших рисунков, а необходимые действия тем или иным образом выбираются из предлагаемого машиной списка — так называемого "меню

Значительная часть ОС находится в памяти постоянно, что обеспечивает ее эфф.работу. Программы для некоторых редко используемых операций чаще всего оформляются в виде самостоятельных служебных программ и хранятся на внешних носителях. Такие программы обычно называют утилитами.

Память внешняя

Классич. функция внешней памяти - сохранять информацию для повторного использования.

Часто внешние устройства имеют съемные носители информации: диски различной природы, магнитные ленты и даже карты памяти мультимедиа-устройств с фотографическими или звуковыми файлами.

Внешняя память состоит из носителя информации и устройства ее записи/чтения.

Итак, положение интересующего нас байта информации на магнитном диске определяется четырьмя "координатами": номером стороны, номером дорожки диска, номером сектора и номером байта в нем.

Помимо собственно информации на диске, имеются и служебные данные — своеобразная разметка, облегчающая накопителю поиск нужной информации. Такая разметка создается в процессе подготовки магнитного носителя к работе и называется форматированием низкого уровня.

Помимо описанного физического форматирования на низком уровне, существует еще логическое форматирование. В процессе логического форматирования каждая ОС создает на дискете или на винчестере собственные служебные области, например каталог файлов, и очищает их.

Память оперативная

В выпускаемых сейчас компьютерах внутренняя память — это электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или модулях ее расширения. Главным компонентом внутренней памяти является ОЗУ.

Основная часть внут. памяти представляет собой запоминающее устройство, в котором информацию можно без каких-либо ограничений считывать и записывать. Такой вид памяти принято называть оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В ОЗУ хранятся оперативные данные и программы (быть может, фрагменты программ) их обработки.

ОЗУ обладает особенностями: 1) возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти. 2). высокая скорость работы ОЗУ, приближающаяся к быстродействию микропроцессора. 3) необходимость спец. мер по сохр.информации из ОЗУ после завершения работы.

Другим важным видом внутренней памяти компьютера является также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Его содержимое можно только читать: исполняемая программа пользователя не может изменить записанную там информацию, поэтому она всегда неизменна и постоянно доступна компьютеру.

ПЗУ играет в современных компьютерах очень важную роль. Прежде всего, каждый компьютер содержит ПЗУ с программой начальной загрузки. В этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому ее часто называют BIOS — Basic Input/Output System.

Еще одна разновидность памяти— так называемая кэш-память. Кэш является вспомогательным видом памяти, и объяснение его сущности носит технический характер. Кэш "невидим" для пользователя, а данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программного обеспечения.

Современные полупроводниковые микросхемы ОЗУ бывают двух видов — статические и динамические.

Максимальное количество единовременно адресуемых байт — адресное пространство — зависит от количества двоичных разрядов шины адреса и в настоящее время измеряется гигабайтами.