Боба. Лекция. Лекция. Принципы работы основных логических блоков системы дешифраторы, сумматоры, rs, jk и tтриггеры, мультиплексоры, их назначение и применение. Логические основы компьютера
 Скачать 157.86 Kb.
|
|
Лекция. Принципы работы основных логических блоков системы: дешифраторы, сумматоры, RS-, JK- и T-триггеры, мультиплексоры, их назначение и применение. Логические основы компьютера В ЭВМ используются различные устройства, работу которых прекрасно описывает алгебра логики. К таким устройствам относятся группы переключателей, триггеры, сумматоры. Кроме того, связь между булевой алгеброй и компьютерами лежит и в используемой в ЭВМ системе счисления. Как известно она двоичная. Поэтому в устройствах компьютера можно хранить и преобразовывать как числа, так и значения логических переменных. Переключательные схемы В ЭВМ применяются электрические схемы, состоящие из множества переключателей. Переключатель может находиться только в двух состояниях: замкнутом и разомкнутом. В первом случае – ток проходит, во втором – нет. Описывать работу таких схем очень удобно с помощью алгебры логики. В зависимости от положения переключателей можно получить или не получить сигналы на выходах. Вентили В основе построения компьютеров, а точнее аппаратного обеспечения, лежат так называемые вентили. Они представляют собой достаточно простые элементы, которые можно комбинировать между собой, создавая тем самым различные схемы. Одни схемы подходят для осуществления арифметических операций, а на основе других строят различную память ЭВМ. Простейший вентиль представляет собой транзисторный инвертор, который преобразует низкое напряжение в высокое или наоборот (высокое в низкое). Это можно представить как преобразование логического нуля в логическую единицу или наоборот. т.е. получаем вентиль НЕ. Соединив пару транзисторов различным способом, получают вентили ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Эти вентили принимают уже не один, а два и более входных сигнала. Выходной сигнал всегда один и зависит (выдает высокое или низкое напряжение) от входных сигналов. В случае вентиля ИЛИ-НЕ получить высокое напряжение (логическую единицу) можно только при условии низкого напряжении на всех входах. В случае вентиля И-НЕ все наоборот: логическая единица получается, если все входные сигналы будут нулевыми. Как видно, это обратно таким привычным логическим операциям как И и ИЛИ. Однако обычно используются вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ, т.к. их реализация проще: И-НЕ и ИЛИ-НЕ реализуются двумя транзисторами, тогда как логические И и ИЛИ тремя. Выходной сигнал вентиля можно выражать как функцию от входных. Транзистору требуется очень мало времени для переключения из одного состояния в другое (время переключения оценивается в наносекундах). И в этом одно из существенных преимуществ схем, построенных на их основе.  Сумматор и полусумматор Арифметико-логическое устройство процессора (АЛУ) обязательно содержит в своем составе такие элементы как сумматоры. Эти схемы позволяют складывать двоичные числа. Как происходит сложение? Допустим, требуется сложить двоичные числа 1001 и 0011. Сначала складываем младшие разряды (последние цифры): 1+1=10. Т.е. в младшем разряде будет 0, а единица – это перенос в старший разряд. Далее: 0 + 1 + 1(от переноса) = 10, т.е. в данном разряде снова запишется 0, а единица уйдет в старший разряд. На третьем шаге: 0 + 0 + 1(от переноса) = 1. В итоге сумма равна 1100. Полусумматор Теперь не будем обращать внимание на перенос из предыдущего разряда и рассмотрим только, как формируется сумма текущего разряда. Если были даны две единицы или два нуля, то сумма текущего разряда равна 0. Если одно из двух слагаемых равно единице, то сумма равна единицы. Получить такие результаты можно при использовании вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ. Перенос единицы в следующий разряд происходит, если два слагаемых равны единице. И это реализуемо вентилем И. Тогда сложение в пределах одного разряда (без учета возможной пришедшей единицы из младшего разряда) можно реализовать изображенной ниже схемой, которая называется полусумматором. У полусумматора два входа (для слагаемых) и два выхода (для суммы и переноса). На схеме изображен полусумматор, состоящий из вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И.  Сумматор В отличие от полусумматора сумматор учитывает перенос из предыдущего разряда, поэтому имеет не два, а три входа. Чтобы учесть перенос приходится схему усложнять. По-сути она получается, состоящей из двух полусумматоров.  Рассмотрим один из случаев. Требуется сложить 0 и 1, а также 1 из переноса. Сначала определяем сумму текущего разряда. Судя по левой схеме ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, куда входят a и b, на выходе получаем единицу. В следующее ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ уже входят две единицы. Следовательно, сумма будет равна 0. Теперь смотрим, что происходит с переносом. В один вентиль И входят 0 и 1 (a и b). Получаем 0. Во второй вентиль (правее) заходят две единицы, что дает 1. Проход через вентиль ИЛИ нуля от первого И и единицы от второго И дает нам 1. Проверим работу схемы простым сложением 0 + 1 + 1 = 10. Т.е. 0 остается в текущем разряде, и единица переходит в старший. Следовательно, логическая схема работает верно. Работу данной схемы при всех возможных входных значениях можно описать следующей таблицей истинности.  RS-триггера'>Триггер как элемент памяти. Схема RS-триггера Память (устройство, предназначенное для хранения данных и команд) является важной частью компьютера. Можно сказать, что она его и определяет: если вычислительное устройство не имеет памяти, то оно уже не компьютер. Элементарной единицей компьютерной памяти является бит. Поэтому требуется устройство, способное находиться в двух состояниях, т.е. хранить единицу или ноль. Также это устройство должно уметь быстро переключаться из одного состояния в другое под внешним воздействием, что дает возможность изменять информацию. Ну и наконец, устройство должно позволять определять его состояние, т.е. предоставлять во вне информацию о своем состоянии. Устройством, способным запоминать, хранить и позволяющим считывать информацию, является триггер. Он был изобретен в начале XX века Бонч-Бруевичем. К триггерным принято относить все устройства, имеющих два устойчивых состояния. В основе любого триггера находится кольцо из двух инверторов, показанное на рис.12.1. Общепринято это кольцо изображать в виде так называемой защелки, которая показана на рис.  Рис. Кольцо из двух инверторов Разнообразие триггеров весьма велико. Наиболее простой из них так называемый RS-триггер, который собирается из двух вентилей. Обычно используют вентили ИЛИ-НЕ или И-НЕ. RS-триггер на вентилях ИЛИ-НЕ RS-триггер «запоминает», на какой его вход подавался сигнал, соответствующий единице, в последний раз. Если сигнал был подан на S-вход, то триггер на выходе постоянно «сообщает», что хранит единицу. Если сигнал, соответствующий единице, подан на R-вход, то триггер на выходе имеет 0. Не смотря на то, что триггер имеет два выхода, имеется в виду выход Q. (Q с чертой всегда имеет противоположное Q значение.) Другими словами, вход S (set) отвечает за установку триггера в 1, а вход R (reset) – за установку триггера в 0. Установка производится сигналом, с высоким напряжением (соответствует единице). Просто все зависит от того, на какой вход он подается. Большую часть времени на входы подается сигнал равный 0 (низкое напряжение). При этом триггер сохраняет свое прежнее состояние. Возможны следующие ситуации: Q = 1, сигнал подан на S, следовательно, Q не меняется. Q = 0, сигнал подан на S, следовательно, Q = 1. Q = 1, сигнал подан на R, следовательно, Q = 0. Q = 0, сигнал подан на R, следовательно, Q не меняется. Ситуация, при которой на оба входа подаются единичные сигналы, недопустима. Как триггер сохраняет состояние? Допустим, триггер выдает на выходе Q логический 0. Тогда судя по схеме, этот 0 возвращается также и в верхний вентиль, где инвертируется (получается 1) и уже в этом виде передается нижнему вентилю. Тот в свою очередь снова инвертирует сигнал (получается 0), который и имеется на выходе Q. Состояние триггера сохраняется, он хранит 0. Теперь, допустим, был подан единичный сигнал на вход S. Теперь в верхний вентиль входят два сигнала: 1 от S и 0 от Q. Поскольку вентиль вида ИЛИ-НЕ, то на выходе из него получается 0. Ноль идет на нижний вентиль, там инвертируется (получается 1). Сигнал на выходе Q становится соответствующим 1.  Т‑триггер Триггер типа Т называется триггером со счётным входом. Он изменяет своё состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход приходит очередной сигнал. Обозначение триггера произошло от первой буквы английского слова toggle – защёлка. Условное графическое обозначение Т-триггера показано на рис. Т‑триггер имеет один вход Т и два выхода Q и Õ. T - счётный вход триггера.  Рис. Условное графическое обозначение T‑триггера Принцип работы триггера иллюстрирует его таблица истинности  Состояние его выхода меняется на противоположное при поступлении на вход счётного сигнала Т=1 и сохраняется неизменным при Т=0. В соответствии с табл.12.5 характеристическое уравнение Т‑триггера имеет вид:  Согласно этому уравнению Т‑триггер сохраняет неизменное состояние при Т=0, когда Q n+1=Q n и при Т=1, когда Q n+1=  Т‑триггер может быть реализован введением в RS‑ и D‑триггеры обратных связей (рис.)  Рис. Схемы T‑триггера JK‑триггер JK‑триггер наиболее широко используемый универсальный триггер, обладающий характеристиками всех других типов триггеров. JK‑триггер в отличии от RS‑триггера не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов, которые следует исключать при работе цифровых систем. На рис. показано условное графическое обозначение JK‑триггера.  Рис. Условное графическое обозначение JK‑триггера Рассмотрим табл., иллюстрирующую принципы работы JK‑триггера. Таблица истинности для JK‑триггера  Из табл. видно, что когда на оба входа J и K подается уровень логического 0, триггер блокируется, и состояния его выходов не изменяются. В этом случае триггер находится в режиме хранения. Строки 2 и 3 табл. описывают режимы, соответствующие установке триггера в состояние 0 и 1. Строка 4 соответствует переключательному режиму работы JK‑триггера. Если на обоих входах J и K установлен уровень логической 1, то следующие друг за другом тактовые импульсы будут вызывать перебросы уровней сигналов на выходах триггера от 1 к 0, от 0 к 1 и т.д. Такая работа триггера напоминает последовательно производимые переключения тумблера, откуда и происходит название режима. Характеристическое уравнение JK‑триггера имеет вид:  JK‑триггер может быть реализован с использованием двух элементов И и RS‑триггера  Рис. Реализация JK‑триггера Контрольные вопросы 1. Перечислите логические элементы ЭВМ. 2. Какие логические элементы принято считать основными, и какими булевыми выражениями они записываются? 3. Что собой представляет вентиль? 4. Какие типы триггеров Вы знаете, чем обусловлено их многообразие 5. Чем отличается полусумматор от полного сумматора 6. Какое устройство называется последовательностным? 7. Проведите классификацию триггеров. 8. Каковы основные характеристики триггеров? 9. Опишите работу RS-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. 10. Опишите работу JK-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. 11. Опишите работу D-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. 12. Опишите работу T-триггера с помощью структурной схемы и таблицы истинности. Письменно ответить на контрольные вопросы. Ответы прислать на портал. |