Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 217
Скачиваний: 0
Г л а в а т р е т ь я
СХЕМОТЕХНИКА ЦВМ. СИСТЕМЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ТИПОВЫЕ УЗЛЫ
3-1. Ф И З И Ч Е С К И Е Ф О Р М Ы П Р Е Д С Т А В Л Е Н И Я И Н Ф О Р М А Ц И И В Ц В М
В предыдущих главах было показано, как информа ция (числовая, логическая, текстовая и командная) представляется в двоичном алфавите. Физическими ана логами знаков алфавита служат физические сигналы в соответствующих точках схемы машины, способные при нимать два хорошо различимых значения, например на пряжение (потенциал) высокого и низкого уровня, от сутствие и наличие импульса тока, противоположные по знаку значения напряженности магнитного поля и т. п. Непременным требованием к физическим аналогам букв двоичного алфавита является возможность надежного распознавания двух различных значений сигнала, кото рые при описании законов функционирования схем обо значаются символами 0 (нуль) и 1 (единица).
В схемах цифровых устройств переменные и соответ ствующие им сигналы изменяются и воспринимаются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени, обозначаемые целыми неотрицательными числами:
t = 0 , 1 , 2 , . . . , « , . . .
Временной интервал между двумя соседними момен тами дискретного времени называется тактом или пери одом представления информации, а сами дискретные мо менты времени часто называют тактовыми или переход ными моментами. Дискретное время можно представить совокупностью пронумерованных точек на оси времени, соответствующих последовательным тактовым мо ментам.
Временные интервалы между тактовыми моментами могут быть произвольной величины и неодинаковыми. Иначе говоря, значения переменных и соответствующих сигналов в схеме в і-й тактовый момент зависят не от текущего времени а только от номера г-го тактового момента.
Во многих случаях цифровые устройства содержат специальный блок, вырабатывающий синхронизирующие сигналы (СС), следующие через равные интервалы вре-
ПО
мени и отмечающие моменты дискретного времени.
В цифровых вычислительных устройствах применяют
три способа |
физического |
представления информации: |
|||||||||
потенциальный, импульсный и динамический. |
|
||||||||||
При потенциальном способе двум значениям пере |
|||||||||||
менной 0 и 1 соответству |
|
|
|
||||||||
ют |
высокий |
и |
низкий |
|
|
|
|||||
уровни |
напряжения |
в со |
|
|
|
||||||
ответствующей |
точке схе |
|
|
|
|||||||
мы машины |
(потенциаль |
|
|
|
|||||||
ный |
код). |
Потенциаль |
|
|
|
||||||
ный сигнал сохраняет по |
|
|
|
||||||||
стоянный |
уровень |
(нуле |
|
|
|
||||||
вой или единичный) |
в те |
|
|
|
|||||||
чение |
|
периода |
представ |
|
|
|
|||||
ления |
|
информации |
|
(так |
|
|
|
||||
та), а его значение в пе |
|
|
|
||||||||
реходные моменты не яв |
|
|
|
||||||||
ляется |
определенным. На |
|
|
|
|||||||
рис. 3-1, а |
показана |
вре |
|
|
|
||||||
менная |
диаграмма |
|
изме |
|
|
|
|||||
нения |
|
|
потенциального |
|
|
|
|||||
сигнала, |
изображающего |
|
|
|
|||||||
переменную, |
принимаю |
|
6) |
|
|||||||
щую |
в последовательные |
|
|
||||||||
Рис. 3-1. Три способа представле |
|||||||||||
моменты дискретного вре |
|||||||||||
мени значения |
1, 0, 1, 1,0. |
ния цифровой информации. |
|||||||||
а — сигналы |
потенциального типа;. |
||||||||||
При |
импульсном |
спо |
б — сигналы импульсного типа; в — сиг |
||||||||
собе |
представления |
ин |
налы |
динамического |
типа. |
||||||
формации |
|
(рис. |
3-1,6) |
значения |
двоичной |
перемен |
|||||
единичное |
и |
нулевое |
ной изображаются или положительным и отрица тельным электрическими импульсами, или наличием и отсутствием электрического импульса в соответствую щей точке схемы (импульсный код).
В идеальном случае импульсные сигналы должны по
являться в тактовые |
моменты дискретного времени. |
В действительности же |
имеет место запаздывание им |
пульсного сигнала относительно тактового момента на время т (рис. 3-1,6) ’.
При динамическом способе представления информа ции двум возможным значениям переменной соответ-
Обычно т определяется на уровне 50% амплитуды сигнала.
111
ствует наличие либо отсутствие серии импульсов (или синусоидальных колебаний), заполняющих весь период представления. Пример динамического представления двоичной переменной приведен на рис. 3-1, в.
Введем некоторые понятия, характеризующие сигна лы в виде импульсов и в виде уровней напряжения.
Импульсный сигнал можно охарактеризовать ампли тудой импульса Um и шириной (продолжительностью) импульса по основанию іо (рис. 3-1,6). Передним и зад ним фронтом импульса называются соответственно вре мена нарастания и спада импульса /п и і3.
Аналогичные понятия могут быть применены к потен циальному сигналу (рис. 3-1, а). Потенциальный сигнал характеризуется, кроме того, разностью Uc верхнего и нижнего уровней напряжения. Понятия переднего и зад него фронта у потенциального сигнала всегда связаны с процессом перехода соответственно от нижнего к верхне му и от верхнего к нижнему уровням напряжений.
Следует отметить допустимость значительных изме нений уровней единичного и нулевого сигнала, не вызы вающих опасности ложного восприятия сигнала. Поэто му можно говорить о зонах сигналов единичного и ну левого уровня, ограниченных соответственно снизу и сверху величинами і/шин и ІІ0макс, называемыми мини мальным единичным и максимальным нулевым сигнала ми. Между этими величнами лежит зона неопределенных сигналов. Если величина напряжения сигнала окажется в
этой |
зоне, |
значение |
представляемой |
переменной |
не мо |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
жет |
быть надежно |
опре |
|||
c c h |
A |
J L |
А |
А |
А |
А |
А |
делено. Аналогичные рас |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
суждения можно |
привес |
||||
7 |
0 |
7 |
1 |
О |
7 |
7 |
О |
ти и для импульсных сиг |
|||||
a L A _ |
|
А |
А |
|
А |
А |
t |
налов. |
|
|
мы бу |
||
7 |
О |
7 |
7 |
о |
7 |
7 |
д |
В дальнейшем |
|||||
дем |
пользоваться |
|
более |
||||||||||
бГ 1 |
|
|
|
|
|
|
____t |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
упрощенными |
изображе |
||||||
Рис. 3-2. Последовательный им |
ниями |
потенциальных и |
|||||||||||
импульсных сигналов. |
|||||||||||||
пульсный код (а), последователь |
В соответствии с типом |
||||||||||||
ный потенциальный код |
(б). |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
используемых |
сигналов |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
|
представления |
ин |
формации схемы цифровых устройств принято делить на: 1) импульсные, 2) потенциальные и 3) импульсно-потен циальные. В первых используются только импульсные
112
сигналы, |
во-вторых — только потенциальные, а в треть |
их — и те и другие. |
|
Перейдем к рассмотрению способа представления и |
|
передачи |
машинных слов, код которых содержит не |
сколько двоичных разрядов и которые поэтому могут рассматриваться как совокупности двоичных пере менных.
Слово может быть представлено последовательным или параллельным способом (последовательным или па раллельным кодом).
При последовательном способе представления инфор мации каждый временной такт предназначен для ото бражения одного разряда кода слова (рис. 3-2). При этом номер разряда определяется номером такта, отсчи тываемым от некоторого нулевого положения, совпада ющего с моментом начала представления слова. Разли чают два способа последовательного представления ко дов: младшими и старшими разрядами вперед.
При последовательном способе представления инфор мации все разряды слова фиксируются по очереди од ним и тем же элементом и проходят через один канал пе редачи информации. Двоичный код слова представляет ся в виде некоторой временной последовательности потенциальных или импульсных сигналов, соответствую щих значениям цифр в разрядах слова, проходящих по одной цепи в дискретные моменты времени, задавае мые вспомогательными синхронизирующими сигнала ми (СС)т^
При параллельном способе представления цифровой информации все разряды двоичного кода слова пред ставляются в одном временном такте, фиксируются от дельными элементами и проходят через отдельные кана лы, каждый из которых служит для представления и пе редачи только одного разряда слова.
При параллельной передаче информации код слова развертывается не во времени, а в пространстве, так как значения цифр всех разрядов слова передаются по не скольким электрическим цепям одновременно. Количест во цепей равно числу разрядов. В один и тот же дискрет ный момент времени во всех цепях возникают сигналы в соответствии со значениями цифр разрядов передавае мого слова (рис. 3-3).
В зависимости от применяемого кода устройства вы числительной техники называются устройствами после
8—333 |
И З |
довательного или параллельного действия. Существуют устройства смешанного действия, в которых в одних уз лах применяется параллельный код, а в других — после довательный.
При последовательном коде все операции, в том чис ле передача слов из одного узла в другой, производятся
|
t |
|
г |
t |
А |
уеі |
|
||
|
|
|||
|
|
У ° 2 |
|
t |
А |
|
|
|
|
|
■У.°3 |
г ~ |
|
|
|
|
|
||
I |
4 - У 2 4 |
[ ~ |
|
|
|
|
|||
А |
t |
У SS |
L - |
* |
|
|
___ |
г* |
|
|
у °s |
|
||
|
|
|
||
А |
и~У£7 |
I |
t |
|
|
||||
|
|
у ? з |
I |
* |
|
|
|
||
|
|
|
----^ |
б)
Рис. 3-3. Параллельный импульсный код (а), параллельный потенциальный код ( б) .
поочередно для каждого разряда слова, и поэтому ус тройства последовательного действия работают медлен нее, чем устройства параллельного действия. Однако устройства параллельного действия требуют большего объема аппаратуры, так как при параллельном коде на до иметь столько цепей передачи сигналов, запоминаю щих и преобразующих элементов, из скольких разрядов состоят слова, с которыми оперирует устройство.
Поэтому в некоторых устройствах, к которым не предъявляются требования высокой скорости передачи и обработки информации, применяют последовательно параллельный код, при котором слова разбиваются на части (слоги) и передача производится последовательно слог за слогом, а каждый слог передается параллель ным кодом.
114
3-2. П О Н Я Т И Е О К О М Б И Н А Ц И О Н Н О Й С Х Е М Е И Ц И Ф Р О В О М А В Т О М А Т Е
Электронные устройства, осуществляющие преобра зование дискретной информации, схематично могут быть представлены в виде, изображенном на рис. 3-4. Устрой ство в общем случае имеет s входов, на которые посту пают входные сигналы, и k выходов, с которых снимают ся выходные сигналы.
а) |
б) |
Рис. 3-4. Условное изображение комбинационной схемы (а) и цифро вого автом ата (б).
Каждый из входных сигналов принимает значение из некоторого конечного набора символов или букв, обра зующего входной алфавит:
Р ' = {р\,р2,...,р'ѵ). |
(3-1) |
В свою очередь выходные сигналы могут принимать значения из конечного набора букв, входящих в выход ной алфавит
S ' = K . V - . V j - |
(3-2) |
В качестве букв этих алфавитов обычно используют ся двоичные и, реже десятичные цифры.
Преобразование информации в ЦВМ производится электронными устройствами (логическими схемами) двух классов: комбинационными схемами и цифровыми автоматами.
В комбинационных схемах (КС) совокупность выход ных сигналов (выходное слово Y) в дискретный момент времени ti однозначно определяется входными сигнала
8: |
115 |
ми (входным словом X), поступившими на входы в тот же дискретный момент времени (рис. 3-4, а).
Реализуемый в этих схемах способ обработки инфор мации называется комбинационным, так как результат обработки информации зависит только от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу после подачи на входы входной информации.
Закон функционирования КС определен, если задано соответствие между словами ее входного и выходного алфавитов, например, в виде таблицы.
Это соответствие может быть задано и в аналитиче
ской форме:
У і = М*і." •.*„);
У ч =:: /2 |
- ч х п); |
(3-3) |
Ук = Ы * і.-.* „ )- |
|
|
На практике обычно |
все Х і и tjj могут |
принимать |
только два значения: 0 и 1. В этом случае |
— булевы |
функции, элементы теории которых излагаются в § 3-3. Другой более сложный класс преобразователей дис кретной информации составляют цифровые автоматы. Цифровой автомат в отличие от логической схемы имеет некоторое конечное число различных внутренних состоя
ний. Для их обозначения введем конечный |
алфавит со |
стояний: |
|
Q = (<7о.<7і,— |
(3-4) |
Под воздействием входного слова цифровой автомат переходит из одного состояния в другое и выдает выход ное слово. Выходное слово на выходе цифрового автома та в дискретный момент времени U определяется вход ным словом, поступившим в этот момент времени на вход автомата, и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных слов в предыдущие дискретные моменты времени.
Комбинация входного слова и текущего состояния ав томата в данном такте определяет не только выходное слово, но и то состояние, в которое автомат перейдет к началу следующего такта.
Цифровой автомат обязательно содержит память, состоящую из запоминающих элементов (триггеров, эле ментов задержки и др.), фиксирующих состояние, в ко тором он находится.
116