Комбинационные схемы

Классификация элементов и узлов ЭВМ

При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполне определенным операциям пре­образования информации, заложенным в программах пользова­телей.

Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов — информационных слов.

Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информаци­онных слов — функционально обособленную часть машинных опера­ций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.).

Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразование входной информации Х в выходную У (см. рис. 2.1).

Все современные вычислительные машины строятся на комплек­сах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микро­схема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупро­водника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных набо­ров включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, дли­тельность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют боль­шие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схе­мы (СБИС). В ближайшем будущем следует ожидать появления ульт­рабольших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхе­мы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элемен­тов, реализующих функции формирования, преобразования, запоми­нания сигналов и т.д.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным призна­кам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, на­значение элементов, технология их изготовления и т.д.

В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе пред­ставления сигналов единичному значению некоторой двоичной пере­менной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряже­ния), нулевому значению — отсутствие импульса (рис. 3.1, а). Дли­тельность импульсного сигнала не превышает одного такта синхроим­пульсов.

При потенциальном или статическом представлении сигналов единичное значение двоичной переменной отображается высоким уров­нем напряжения, а нулевое значение — низким уровнем (рис. 3.1, б).

Независимо от вида сигналов различают последовательный и па­раллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.

При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обра­ботка такой информации производится последовательно, т. е. разряд за разрядом. Этот вид представления и передачи данных требует весь­ма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).

Рис. 3.1.Представление информации в ЭВМ: а — импульсные сигналы; б — потенциальные сигналы

Параллельный код отображения и передачи информации предпола­гает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов дан­ных на различных шинах, т.е. параллельный код данных развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во време­ни, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают про­порционально числу обрабатываемых разрядов.

Во всех вычислительных машинах используются и параллельно-пос­ледовательные коды представления информации. При этом информа­ция отображается частями. Части поступают на обработку последова­тельно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом.

По своему назначению элементы делятся на формирующие, логи­ческие и запоминающие.

К формирующим элементам относятся различные формировате­ли, усилители, усилители-формирователи и т.п. Данные элементы слу­жат для выработки определенных электрических сигналов, восста­новления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длитель­ности).

В каждой ЭВМ имеются специальные блоки, формирующие сиг­налы тактовой частоты, серии синхронизирующих и управляющих сигналов, которые координируют работу всех схем ЭВМ. Интер­вал времени между импульсами основной частоты называется так­том. Длительность такта является важной характеристикой ЭВМ, определяющей ее потенциальную производительность. Время вы­полнения любой операции ЭВМ связано с определенным числом тактов. Простейшие логические элементы преобразуют входные сигна­лы в соответствии с элементарными логическими функциями, рас­смотренными в п. 2.4. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преоб­разования в соответствии с требуемыми логическими зависимостя­ми могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логичес­ких схем.

Запоминающим элементом называется элемент, который спосо­бен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончатель­ные результаты вычислений. Только запоминающие элементы в схе­мах ЭВМ позволяют проводить обработку информации с учетом ее развития.

Обработка входной информации Xв выходную У (см. рис. 2.1) в любых схемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифро­выми автоматами двух видов: комбинационными схемами и схемами с памятью.

Комбинационные схемы (КС) — это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у₁, у₂,..., у_т) в любой момент дискретного времени од­нозначно определяются совокупностью входных сигналов X=(x_1, х₂,..., х_n), поступающих в тот же момент времени t. Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным по­тому, что результат обработки зависит только от комбинации вход­ных сигналов и формируется сразу же при поступлении входных сиг­налов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие. Преобразование информации однознач­но описывается логическими функциями вида Y = f(X).

Логические функции и соответствующие им комбинационные схе­мы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры. Регу­лярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущими. В нерегулярных структурах такая аналогия отсутствует. Примером построения нерегулярной структуры может служить разработка схе­мы в примере 2.16.

В практике проектирования ЭВМ накоплен огромный опыт по син­тезу различных схем. Многие регулярные структуры положены в ос­нову построения отдельных ИС малой и средней степени интеграции или отдельных функциональных частей БИС и СБИС. Из регуляр­ных комбинационных схем наиболее распространены дешифраторы,

шифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, комму­таторы и др. •

Рассмотрим принципы построения подобных регулярных струк­тур.

Дешифраторы (ДШ) — это комбинационные схемы с п входами и т = 2ⁿ выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигна­лов. Например, разработка структуры ДШ для n=3 согласно мето­дике, изложенной в п. 2.4, позволяет получить таблицу истинности (табл. 3.1) и логические зависимости.

Таблица 3.1 Таблица истинности дешифратора

Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информа­ции по определенному адресу, для расшифровки кода операции и др. Логические зависимости дешифратора:

На рис. 3.2 представлены структурная схема ДШ, построенная в базисе (И, НЕ), и условное ее обозначение на принципиальных элект­рических схемах ЭВМ. Кружочки у линий, выходящих из логических элементов, указывают на инверсию функций, реализуемых элемен­тами.

Шифратор (ШР) решает задачу, обратную схемам ДШ, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию вы­ходных сигналов. Пример по-строения ШР иллюстрируется таблицей истинности (табл. 3.2) и схемами на рис. 3.3.

Рис. 3.2. Структурная схема дешифратора (а) и обозначение дешифратора на принципиальных электрических схемах (б)

Таблица 3.2 Таблица истинности шифратора

Логические зависимости шифратора:

Рис. 3.3. Структурная схема шифратора (а) и обозначение шифратора на принципиальных электрических схемах (б)

Обратим внимание, что табл. 3.1 и 3.2 во многом похожи, входы и выходы в них поменялись местами. Состояния входов табл. 3.2 содер­жат только по одному единичному элементу. Другие произвольные комбинации входов недопустимы.

Схемы сравнения, или компаратор, обычно строятся как пораз­рядные. Они широко используются и автономно, и в составе более сложных схем, например при построении сумматоров.

Таблица истинности (табл. 3.3) отражает логику работы i-го раз­ряда схемы сравнения при сравнении двух векторов — А и В. На рис. 3.4 показана структурная схема компаратора.

Таблица 3.3 Таблица истинности компаратора

Логическая зависимость компаратора:

На схеме 3.4, помимо выхода Y₂, фиксирующего равенство значе­ний разрядов, показаны выходы Y_l и Y₃ соответствующие сигналам «больше» и «меньше».

Рис. 3.4.Структурная схема компаратора (а) и обозначение компаратора на принципиальных электрических схемах (б)

Комбинационный сумматор.Принципы построения и работы сум­матора вытекают из правил сложения двоичных цифр (см. п. 2.3). Схема сумматора также является регулярной и широко используется в ЭВМ. При сложении одноразрядных двоичных цифр можно выявить закономерности в построении и многоразрядных сумматоров.

Сначала рассмотрим сумматор, обеспечивающий сложение двух двоичных цифр а₁ и b₁ считая, что переносы из предыдущего разряда не поступают. Этой логике отвечает сложение младших разрядов дво­ичных чисел. Процесс сложения описывается таблицей истинности (табл. 3.4) и логическими зависимостями (3.2), где S_i — функция одно­разрядной суммы и Р_i — функция формирования переноса. Перенос формируется в том случае, когда а₁=1 и b_l=1.

Таблица 3.4 Таблица истинности комбинационного полусумматора

Логические зависимости:

Зависимости (3.2) соответствуют логике работы самого младше­го разряда любого сумматора. Структурная схема одноразрядного сумматора (полусумматора) представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Структурная схема полусумматора (а) и обозначение полусумматора(б)

Логические зависимости полусумматора Si и компаратора (3.1) очень похожи, так как они инверсны по отношению друг к другу.

Уравнения, положенные в основу одноразрядного сумматора, ис­пользуются и при построении многоразрядных сумматоров. Логика работы каждого разряда сумматора описывается табл. 2.2, которую можно считать его таблицей истинности.

Таблица истинности сумматора, учитывающего сигналы перено­са, отличается от таблицы полусумматора (см. табл. 3.4) дополни­тельным входом р — переносом из предыдущих разрядов.

Исходные логические зависимости, формируемые по табл. 2.2, имеют следующие совершенные ДНФ:

Преобразование этих выражений приводит к следующим зависи­мостям:

В приведенных выражениях индексы у переменных в правых час­тях уравнений опущены.

Рис. 3.6.Структурная схема одного разряда комбинационного сумматора: а - структурная схема одного разряда; 6 - условное изображение

Из анализа логических зависимостей видно, что структурная схе­ма i-го разряда сумматора требует включения в свой состав трех схем сравнения для формирования разрядной суммы и шести схем совпаде­ния (рис. 3.6).

Структурная схема многоразрядного комбинационного суммато­ра на электрических схемах изображена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Структурная схема многоразрядного комбинационного сумматора