1. Типы цифровых устройств. Определение принадлежности устройства к первому или второму типу. Примеры устройств относящихся к первому и второму типу
 Скачать 241.58 Kb.
|
|
1. Типы цифровых устройств. Определение принадлежности устройства к первому или второму типу. Примеры устройств относящихся к первому и второму типу. Эти устройства работают на 2х уровнях напряжения 0 и 1. Все устройства должны иметь схемы (логические элементы) где информация хранится, преобразуется и направляется. 2 типа схем: а) преобразования без учета предыдущего состояния (сумматоры, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры), б)запоминающие, преобразующие с учетом предыдущего состояния (триггеры, счетчики, регистры) Все цифровые устройства делятся на 2 больших класса: КЦУ и конечные автоматы. Все цифровые устройства делятся на 2 основных класса : А. комбинационные цифровые устройства (КЦУ) Б . конечные автоматы КЦУ-устройства не содержащие в своей структуре обратной связи. В каждый момент времени состояние выхода зависит только от входного воздействия. Устройства этого класса служат для преобразования информации и коммутации. К таким устройствам относятся: Сумматоры Шифраторы и дешифраторы А также различные кодопреобразователи Коммутационные КЦУ- мультиплексоры и демультиплексоры Конечные автоматы- устройства содержащие в своей структуре обратную связь, в каждый момент времени состояние выходов зависит и от входных воздействий, и от предыдущих состояний выходов. КА служат для хранения информации и её преобразования с учетом предыдущих состояний. К устройствам этого класса относят: Триггеры и все устройства, построенные на основе триггерной системы (счетчики, регистры) 2. Комбинационные цифровые устройства. Шифратор и дешифратор. КЦУ это устройства не содержащие в своей структуре обратной связи, т.о. в каждый момент времени состояние выходов такого устройства зависит только от входного воздействия. КЦУ служит для преобразования информации и коммутации. К кодопреобразующим КЦУ относятся шифратор, дешифратор, различные типы кодопреобразователей, коммутационные КЦУ: (де)мультиплексор. Синтез КЦУ начинается с технического задания (определение функционирования), по заданию записываются таблицы функционирования и при необходимости логические уравнения, описывающие уравнения устройства. Для кодопреобразователя синтез производится аналогично рассмотренным устройствам( составляется таблица переключений, для каждого выхода записывается логическое уравнение относительно входов). Дешифратор – устройство определяющее направление по поступившему на входы адресы. В каждый момент времени активный уровень может появиться только на одном выходе устройства, индекс выхода при этом совпадает с двоичным кодом поступившим на вход адреса. Шифратор –устройство, определяющее адрес направления, по которому поступил запрос. В каждый момент времени в таком устройстве активный сигнал может быть только на одном входе. В противном случае состояние выходов не определено. Для шифратора с количеством входов направлений N и количеством адресных выходов M соотношение M = log2N 3. Комбинационные цифровые устройства. Мультиплексор и демультиплексор. Мультиплексор – это устройство, коммутирующее на единственный выход тот из входов данных, адрес которого указан на адресных входах. Для n адресных входов и m входов данных соотношение m=2n (m<2n ). Функция выхода: Do = nA1 & nA0 & Di0 \/ nA1 & A0 & Di1 \/ A1 & nA0 & Di2 \/ A1 & A0 & Di3; Демультиплексор - это устройство, коммутирующее единственный вход данных с тем из выходов данных, адрес которого указан на адресных входах. Соотношение между m и n аналогично соотношению для мультиплексора. Универсальный коммутатор. Устройство, связывающее единственный регистр с одним из нескольких, имеющих адреса. Может функционировать как мультиплексор или как демультиплексор в зависимости от ситуации. Адресные входы включены в дешифратор, управляющий ключами направлений. 4. Комбинационные цифровые устройства. Сумматор. Сумматор – комбинационное цифровое устройство, предназначенное для получения арифметической суммы двух чисел, представленных в двоичном коде. Замечаем, что все разрядные сумматоры, кроме нулевого разряда, имеют дополнительный вход переноса. Итак, для реализации N-рядного сумматора необходим один модуль полусумматора, реализующий 0-й разряд ( 2 входа и 2 выхода), и N-1 модуль полного одноразрядного сумматора ( 3 входа и 2 выхода). 5. Конечные автоматы. Принцип функционирования КА. Типы КА. Конечные автоматы- устройства содержащие в своей структуре обратную связь, в каждый момент времени состояние выходов зависит и от входных воздействий, и от предыдущих состояний выходов. КА служат для хранения информации и её преобразования с учетом предыдущих состояний. К устройствам этого класса относят: Триггеры и все устройства, построенные на основе триггерной системы (счетчики, регистры) 6. Простейший конечный автомат. Принцип функционирования, описание, таблица истинности асинхронного RS- триггера. Простейшим конечным автоматом является триггер. Триггер – устройство, имеющее 2 устойчивых состояния (уровень 0 и уровень 1). Различают триггеры переключательного типа и триггеры установочного типа. Триггер переключательного типа изменяет свое состояние на противоположное после каждого поступившего на вход импульса. Пример – T-триггер. Этот триггер имеет тактовый вход T и единственный выход Q. Триггеры переключательного типа имеют ограниченную область применения. В основном устройства вычислительной техники строятся на основе триггеров установочного типа. Простейшей ячейкой установочного типа является асинхронный RS-триггер. Такой триггер имеет два выхода - прямой и инверсный (устойчивым состоянием триггера всегда считается состояние прямого выхода Q, подтвержденное своей инверсией), и два входа S, Set – вход установки 1 и R, Reset – вход установки 0. Запишем таблицу функционирования триггера. Управляющим уровнем для такой структуры является 0. При отсутствии управления триггер находится в режиме хранения информации, подача управления на R-вход приводит к установке триггера в 0, подача управления на S-вход к установке 1, подача управления на оба входа одновременно приводит к неопределенности ( на прямом и инверсном выходах уровень 1). Выход из такого состояния в режим хранения не определяется. Поэтому подача управления на оба входа называется запрещенной комбинацией. 7. Функционирование D- триггера с динамическим синхровходом. Асинхронные входы S и R. По информационным входам в триггер поступает информация, которая записывается в момент прихода фронта синхроимпульса (динамический синхровход) и сохраняется в триггере до следующего момента записи). По установочным входам триггер устанавливается в предписанное входом состояние независимо от состояния синхровхода и информации. На время действия установочного сигнала синхровход блокируется. Асинхронная RS-ячейка – основа построения всех триггеров установочного типа. вход синхронизации – C информационный вход - D Эта схема называется схемой 3-х триггеров. Действительно, триггер, образованный элементами 1 и 2, позволяет записать 0 в момент прихода синхроимпульса и удерживать его до следующей записи, триггер, образованный элементами 3 и 4, позволяет записать и удерживать 1, триггер на элементах 5 и 6 – основная ячейка. Из схемы очевидно функционирование управляющих входов. 8. Типы триггеров. Назначения входов, описание функционирования. К основным типам триггеров относятся: - триггер с раздельной установкой состояний (RS-триггер), - триггер "защелка" (D - триггер), - универсальный триггер (JK - триггер), - триггер со счетным входом (T - триггер). По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные или тактируемые, а по способу управления - на триггеры со статическим управлением (единичным или реже нулевым уровнем тактового сигнала) и триггеры с динамическим управлением (положительным - из 0 в 1, или отрицательным - из 1 в 0 фронтом тактового сигнала). В последнем случае говорят о триггерах с прямым или инверсным динамическим входом управления. Входы называются статическими, если они имеют непосредственную связь с источником входных сигналов. Сигналом для управления статическим триггером с прямыми статическими входами является уровень лог. «1», а для управления триггером с инверсными входами — уровень лог «0». Входы называются динамическими, если они соединены с источником входных сигналов через развязывающие цепи: магнитные, электронные или RC-цепи. Они реагируют только на перепады входных сигналов. Если срабатывание триггера происходит при изменении входного сигнала от «0» к «1», то входы называются прямыми, а если при изменении сигнала от «1» к «0», то — инверсными. Входы Ś и Ŕ называются входами асинхронной установки триггера. Они предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или 1) в начале цикла работы независимо от воздействия информационных сигналов, то есть в обход схемы управления. 9. Счетчики. Классификация по порядку счета. Счетчики – конечные автоматы, каждое последующее состояние которых на 1 отличается от предыдущего. Устройство на выходах которого получается двоичный код, определяемый числом поступивших импульсов. Счетчики могут строиться на D, T и JK триггерах. Счетчики удобнее строить на основе JK-триггеров Счетчики могут классифицироваться по порядку счета (суммирующие, вычитающие и реверсивные). В суммирующем счетчике, где изменение каждого последующего разряда возможно лишь при установке предыдущих в 1, уравнение связей записывается как JKi = Q0 & Q1&…& Qi-1 ; Для вычитающего счетчика, где разряды должны устанавливаться в 0, эта связь будет записываться как JKi = nQ0 & nQ1&…& nQi-1 ; В реверсивном счетчике, где вводится дополнительный сигнал – реверс (REV), позволяющий производить вычитание при значении REV=1, уравнение связи выглядит следующим образом: JKi =( Q0 xor REV) & (Q1 xor REV) &…&( Qi-1 xor REV); Очевидно, что сигнал REV позволяет переключать связи, определяющие порядок счета. 10. Счетчики. Классификация по способу синхронизации и коэффициенту счета. Счетчики могут классифицироваться: по способу подачи синхроимпульса (асинхронные и синхронные) и по количеству состояний в цикле счета (двоичные – K = 2n и недвоичные – K < 2n, где n – количество разрядных триггеров). В асинхронных счетчиках порядок счета определяется связями между выходами разрядных триггеров и входами синхронизации. Связь с прямого выхода – вычитающий счетчик, с инверсного – суммирующий. Асинхронные счетчики имеют большую задержку установки состояния, так как задержка счетчика накапливается из задержек триггеров. По этой причине используются, в основном, синхронные счетчики. В таких счетчиках порядок счета устанавливается связями между выходами триггеров и их информационными входами. по модулю счёта: двоично-десятичные (декада); двоичные; с произвольным постоянным модулем счёта; с переменным модулем счёта; 11. Принцип построения синхронных счетчиков и конечных автоматов с произвольной сменой состояний. Недвоичный счетчик легко получить из двоичного, используя установочные входы разрядных триггеров. Так, например, если необходимо построить суммирующий счетчик, имеющий состояния от 1 до 5, то его можно получить из 3- разрядного двоичного суммирующего счетчика с начальной установкой в 1 ( по входам S0, R1, R2 ), которая производится сигналом, формируемым из состояния, следующего за конечным (6). Более сложен синтез конечных автоматов с произвольной сменой состояний. Существуют два типа таких автоматов: автомат Мура и автомат Мили. В первом случае переход в следующее состояние зависит только от предыдущего, а во втором появляются также сигналы внешних воздействий. В любом случае для синтеза необходимо определить уравнения связей информационных входов с выходами разрядных триггеров. Для этого по имеющейся в задании таблице переключений строится таблица воздействий, с помощью которой возможна запись уравнений связей. 12. Регистры. Классификация. Регистры – конечные автоматы, служащие для сдвига информации (последовательные регистры) и для хранения информации (параллельные регистры). используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Последовательный регистр имеет вход данных и один выход данных. Параллельный регистр имеет количество входов и выходов данных, обеспечивающих разрядность подключенной шины. 13. Последовательные регистры. Принцип построения и функционирования. Последовательный регистр имеет вход данных и один выход данных. Данные идут по одному проводу (однопроводная схема) Запись информации – на фронте синхроимпульса. Если задержка триггера сравнима с длительностью фронта синхроимпульса, информация на одном такте может переписаться в несколько триггеров одновременно, во избежание такой ситуации между триггерами ставятся линии задержки или триггер строится по двухтактной схеме. По спаду синхроимпульса информация выходит из триггера. Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собою цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса. Основной режим работы — сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового сигнала. В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо слово сдвигается при поступлении синхросигнала. Вход и выход последовательные 14. Параллельные регистры. Буферные регистры. Параллельный регистр имеет количество входов и выходов данных, обеспечивающих разрядность подключенной шины. Регистр, входы и выходы которого всегда подключены к шинам, называется регистр-защелка. В момент поступления синхроимпульса, состояние шины D передается шине Q. Синхроимпульсы в этом случае не следуют в общем потоке, а вырабатываются как отдельные управляющие сигналы. Пример, разделения общей внешней шины на шину адреса и шину данных внутри микро процессорной системы. Защелки используются для разделения шин. Регистр, входы и выходы которого подключаются к шине по управляющему сигналу – буферный регистр. Запись производится при поступлении фронта синхросигнала. C! – управление буфером записи. C2 – управление буфером считывания. Если на одной шине подключено множество регистров, используются буферные регистры. Всегда запись происходит в момент прихода синхроимпульса С1=1+SYNC - условие записи C2=1 – условие считывания 15. Структуры регистров с различными способами записи и считывания. По способу записи-считывания различают также последовательно- параллельный и параллельно-последовательный регистры. параллельные - запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов; последовательные - запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий - то же самое происходит и с остальными триггерами; комбинирован Параллельно-последовательные регистры N – шина, по которой идет информация В момент SYNC регистр записывает состояние N+ при условии что ena=1 D(i)=N(i)*ena - первый момент времени. После записи мы проталкиваем информацию, тогда D(i)=N(i)*ena V Q(i-1)* ena . Следующая запись будет через 13 тактов, подача сигналов “ena”=1 регулирует счетчик. Последовательно-параллельные регистры C2=1, тогда мы считываем информацию. МЫ читаем информацию с целью записать в парал. регистр когда подается синхроимпульс. Чтобы верно считать информацию мы ставим буфер чтения (он запрещает сдвиг информации), при С2=1 «ena” д.б. равна 0 (подача регулируется счетчиком. 16. Регистровые файлы. Принцип построения. Устройства в которых используются регистровые файлы. Регистровый файл — запоминающее устройство процессора со сверхбыстрым доступом для хранения данных, участвующих в обработке, а также управляющей информации процессора. Регистровый файл — модуль микропроцессора (CPU), содержащий в себе реализацию регистров процессора. Любое оборудование, построенное на многоразрядных ячейках можно назвать регистровым файлом, если аппаратно устанавливается регламент обращения для записи и чтения любой ячейки. (ячейка – буферно-параллельный регистр). Управление по записи и считыванию с ячеек строится с использованием счетчиков и управляющих КЦУ. Устройства построенные на основе регистровых файлов: LIFO – стэк память, это память временного хранения информации, кто последний пришел – первый вышел), память FIFO. Должен быть REV-счетчик, определяющий число читаемых ячеек (запрет), в котором не было записи. Для стека подключаем буферы запись/чтение. Счетчик физически не связан со входами разрешающими запись/чтение, а только отмечает адрес текущий верхнего регистра. 17. Устройства памяти. Общая классификация. Память в любой системе можно разделить на 2 типа: Внутреннюю и Внешнюю. Внутренняя память микропроцессорной системы по способу доступа к ячейкам накопителя делится на 3 типа: адресная память, память с последовательным доступом и ассоциативная память. В адресной памяти доступ к любой ячейке накопителя возможен по любому выставленному на шине адресу, независимо от предыдущего обращения. В памяти с последовательным доступом порядок обращения к ячейкам задается счетчиком адресов, который невозможно переустановить в процессе работы с памятью. Таким образом, адрес обращения к каждой последующей ячейке отличается от предыдущего всегда на определенную величину. В ассоциативной памяти ячейка накопителя имеет два адреса: первый – сохраненное значение адреса основной памяти, откуда копировалась информация, второй – адрес внутри организованного дополнительного пространства памяти. Обращение по второму адресу происходит только при совпадении адреса происходящего обращения и первого адреса. Пример: КЭШ-память. |