Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

ментов являются усилители слабых сигналов, генера­ торы (формирователи) токов и напряжений специальной формы, а также элементы источников электропитания.

Взависимости от используемых физических явлений

икомпонентов логические элементы подразделяют на:

1)полупроводниковые (диодные, транзисторные, ди­ одно-транзисторные и т. д.);

2)магнитополупроводниковые (ферродиодные, фер­ ротранзисторные) ;

3)электромагнитные и др.

Электромагнитные элементы (реле, контакторы и т. п.) находят ограниченное применение в современных ЦВМ и используются в основном в цепях электропитания. Маг­ нитополупроводниковые элементы вследствие их малого быстродействия в современных ЦВМ используются очень редко. Полупроводниковые элементы составляют основ­ ную элементную базу современных ЦВМ.

По конструктивно-технологическому выполнению раз­ личают:

1)элементы модульного типа на дискретных радио­ компонентах;

2)микроэлектронные элементы.

Элементы ЦВМ в модульном исполнении представля­ ют собой функционально связанную совокупность диск­ ретных радиокомпонентов, законченную в конструктив­ ном отношении и изготовляемую по единой для данной системы технологии. Микроэлектронными называются логические элементы, выполненные методами микро­ электроники, которая охватывает комплекс технологиче­ ских и схемотехнических вопросов, связанных с проекти­ рованием и производством электронных изделий в мини­ атюрном исполнении.

В различных системах элементов процесс обработки информации имеет ряд особенностей, обусловленных раз­ личиями в способах представления информации и в спо­ собах построения межэлементных связей. Рассмотрим характерные особенности реализации булевых функций в простейших элементах потенциальной, импульсной и им­ пульсно-потенциальной систем элементов.

При потенциальном способе представления информа­ ции (рис. 3-1, а) легко реализуется операция конъюнк­ ции. На рис. 3-6 показан клапан И для потенциальных сигналов положительной полярности. Если сигналы им­ пульсные (рис. 3-1,6), то реализовать конъюнкцию на

135

логических элементах затруднительно, так как в этом случае предъявляются жесткие требования к синхрони­ зации импульсных сигналов.

Дизъюнкции при потенциальном и импульсном пред­ ставлении информационных сигналов реализуются без затруднений. Поэтому в импульсной системе элементов конъюнкцию реализуют, как правило, при помощи дизъ­ юнкции и отрицаний по формуле

крывающий диод Д. Инвер­ сия сигналов легко реализуется лишь при использовании потенциальных информационных сигналов.

Элементы, реализующие операции конъюнкции и дизъ­ юнкции двоичных переменных, часто называют клапана­ ми И (схемами совпадения) и клапанами ИЛИ (схема­ ми сборки). В дальнейшем для краткости изложения мы будем пользоваться этими терминами.

Некоторые логические элементы, если они содержат активные компоненты (например, триоды), могут выпол­ нять не только логические функции, но и функции форми­ рования и восстановления сигнала. Операция инверсии, как правило, производится активными компонентами и поэтому является одновременно восстанавливающей. Триггер также является элементом, формирующим и вос­ станавливающим сигнал.

136

ных восстанавливающих (формирующих) элементов (см. рис. 3-8).

Элемент, используемый для формирования или вос­ становления параметров сигнала, должен допускать воз­ можность подключения к его выходу по меньшей мере двух логических элементов. При этом условии можно по­ лучить любое количество разветвлений выхода одного элемента на входы других.

3-6. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕМЕНТОВ

В вычислительной технике используются комбинаци­ онный и накапливающий принципы обработки информа­ ции. Построение цифровых устройств, реализующих тот или иной принцип обработки информации, имеет для различных систем элементов свои особенности, связан­ ные со способом передачи информации между логиче­ скими элементами. Передача информации от элемента к элементу может осуществляться несинхронизируемым (асинхронным) и синхронизируемым (синхронным) спо­ собами, причем последний используется только при пе­ редаче информации в запоминающие логические эле­ менты.

При асинхронном способе передачи информации вход­ ные сигналы логических элементов преобразуются с не­ большой задержкой в выходные сигналы, которые непо­ средственно воздействуют на входы следующих логиче­ ских элементов.

Если схема не содержит запоминающих логических элементов, в ней может быть использована только асин­ хронная передача информации. Так, например, асинхрон­ ная передача информации используется в комбинацион­ ных схемах, построенных на потенциальной системе эле­ ментов. Если схема содержит запоминающие логические элементы, передача информации в ней может произво­ диться как асинхронным, так и синхронным способом. Однако синхронная передача является более распрост­ раненной.

Комбинационные схемы с асинхронным способом пе­ редачи информации часто называют схемами с одно­ тактным преобразованием информации.

137

При синхронном способе передачи информации вход­ ные сигналы воздействуют на запоминающие логические элементы в строго определенные моменты времени, со­ ответствующие появлению синхронизирующих сигналов.

Преобразования информации, осуществляемые с ис­ пользованием синхронной передачи информации, требу­ ют, как правило, нескольких сдвинутых по времени друг относительно друга синхронизирующих сигналов. В свя­ зи с этим такие преобразования называются многотакт­ ными. 4

Синхронный способ передачи информации между эле­ ментами в зависимости от числа используемых синхро­ низирующих сигналов может быть одно-, двух-, трех­ тактным и более.

Передача информации между запоминающими логи­ ческими элементами требует выполнения следующего условия: передача информации на запоминающий логи­ ческий элемент может быть произведена только после завершения передачи информации о состоянии этого элемента другому запоминающему элементу. Для вы­ полнения этого условия необходимо каким-то образом хранить некоторое время информацию о состоянии эле­ ментов памяти, участвующих в передаче. Это может осу­ ществляться с помощью схем задержки электрических сигналов (например, линий задержек), либо путем вве­ дения дополнительных промежуточных запоминающих элементов. Первый способ обычно применяется в им­ пульсно-потенциальных схемах, а второй — в потенци­ альных.

Синхронная передача информации между запоминаю­ щими элементами с использованием схем задержки эле­

В потенциальных схемах синхронная передача инфор­ мации, осуществляемая с помощью промежуточных запо­ минающих элементов, как правило, является двухтакт­ ной. При этом для передачи информации между запоми­ нающими элементами используются две серии синхрони­ зирующих сигналов.

Сигналы серий должны иметь длительность большую, чем время переходного процесса в триггере, и быть сдви­ нуты один относительно другого. Первая серия сигналов

138

Ti применяется для ввода преобразованной информации на дополнительные триггеры. Серия сигналов тг произво­ дит передачу информации с дополнительных триггеров на основные. В этом такте информация также может пре­ образовываться, проходя через комбинационные схемы. Длительность управляющих сигналов должна быть до­ статочна для установления значений информационных сигналов в выходных цепях схем.

Рис. 3-13. Триггеры со счетным входом в импульсно-по­

тенциальной (а) и в потенциальной (б) системах эле­ ментов.

Однотактиая и двухтактная передачи информации между запоминающими элементами иллюстрируются на примере схем триггеров со счетным входом, приведенных на рис. 3-13.

Здесь символами RS обозначены схемы триггеров с установочными входами, а счетный вход реализован при помощи внешних коммутаций через клапаны И. Так, в схеме на рис. 3-13, а на импульсно-потенциальные клапа­ ны И поступают входной импульсный сигнал хс и потен­

циальные сигналы с выходов триггера Q и Q. В каждый дискретный момент времени будет открыт только один из клапанов И, а именно тот, на который поступает еди­

139

ничный потенциальный сигнал. Если триггер находился в состоянии 0, то при поступлении сигнала х с открыва­ ется клапан 1 и сигнал проходит на единичный устано­ вочный вход триггера и устанавливает его в состояние 1. Линия задержки D необходима здесь для того, чтобы за­ держать начало переходного процесса в триггере на ве­ личину длительного сигнала хс и тем самым исключить ложные срабатывания триггера.

Схема, показанная на рис. 3-13,6, использует потен­ циальные триггеры и потенциальные клапаны И. Выходы

Q и Q триггера 2 управляют входными клапанами И триггера 1. Сигнал х с поступает на схему в момент вре­ мени ті и проходит на установочный вход триггера 1 че­ рез один из клапанов И в зависимости от состояния триг­ гера 2. Сигнал перезаписи информации из триггера 1 в триггер 2 должен поступить в момент окончания переход­ ного процесса в триггере 1. В момент поступления сигна­ ла У (тг) открывается один из клапанов 3 или 4 в зависи­ мости от состояния триггера 1 и информация из тригге­ ра 1 переписывается в триггер. 2. Таким образом осуще­ ствляется передача информации по двухтактному прин­ ципу.

Из сказанного видно, что при использовании потен­ циальной системы элементов накапливающий способ пе­ реработки информации может быть реализован при по­ мощи двухтактной системы передачи информации, требу­ ющей дополнительных триггеров.

Вимпульсно-потенциальной системе элементов ис­ пользуются статические триггеры, переключаемые им­ пульсными сигналами, которые передаются по цепям, развязанным гальванически от схем триггеров, как пра­ вило, через трансформаторы. В этой системе широко ис­ пользуются импульсно-потенциальные клапаны.

Импульсно-потенциальный клапан не только выпол­ няет логическую операцию, но и преобразует потенци­ альный сигнал в импульсный.

Вимпульсно-потенциальной системе элементов зане­ сение информации в триггеры осуществляется по одно­ тактной системе, так как при импульсном запуске триг­ геров становится возможным использование линий задержек на величину длительности импульсов. Синхро­ низация в этой системе не требуется, так как длитель­ ность потенциального сигнала надежно перекрывает длительность импульсного сигнала. В цифровых устрой-

140