Устройства ЭВМ Принцип действия основных устройств ЭВМ

Устройства ЭВМ

Принцип действия основных устройств ЭВМ 1. Цифровые устройства 2. Элементная база ЦУ 3. Принцип действия логических элементов 4. Триггеры

Цифровые устройства • Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. • Существуют элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики. • Радиоэлектронные элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния, являются цифровыми устройствами (ЦУ). • Два устойчивых состояния удобно обозначать такими терминами: единица – ноль, включено выключено, открыто – закрыто, да – нет, истина – ложь.

Достоинства цифровых устройств • Достоинством цифровых устройств является их высокая помехоустойчивость и стабильность. Такие элементы надёжно работают при случайном изменении напряжения питания, окружающей температуры, при действии электромагнитных помех. • Сигналы, представленные в цифровой форме, можно копировать, передавать и хранить практически без искажений. • В то же время аналоговые сигналы таковы, что их копии всегда отличаются от оригинала (искажаются).

Два класса ЦУ • Все цифровые устройства делятся на два класса: • комбинационные ЦУ и • последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы)

Комбинационные ЦУ • В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов. • К комбинационным ЦУ относятся: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, преобразователи кодов, сумматоры, арифметико-логические устройства, логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИНЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и др. ).

Последовательностные ЦУ • Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, имеющихся в данный момент времени, но и от предшествующего состояния ЦУ. Эти элементы обладают памятью. • К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счетчики, регистры.

Элементная база ЦУ

• Аппаратно цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементных базах: электромагнитных реле, электровакуумных лампах, дискретных транзисторах, в виде микросхем, выполненных по интегральной полупроводниковой технологии. • При работе цифровых устройств их элементы в какой-то момент времени проводят электрический ток (открытое состояние), а в другой момент времени ток не проводят (закрытое состояние). Таким образом формируются сигналы логической единицы и логического нуля (цифровые сигналы).

МДП транзисторы с n-каналом Транзисторы одного типа открываются высоким, а запираются низким напряжением. А другие транзисторы наоборот: запираются высоким напряжением, а низким напряжением открываются. Такие полупроводниковые элементы носят специальное название – полевые транзисторы с p-каналом и n-каналом.

Рассматриваемый элемент построен на комплементарных металл-окисел полупроводниках (полевых транзисторах, выполненных по КМОП - технологии).

Инвертор КМOП. Комплементарный ключ Термин «комплементарные» означает, что используемые транзисторы взаимно дополняют друга. В этих конструкциях применяются транзисторы двух типов.

Принцип действия логических элементов

Схемотехническое построение элемента может быть различным: с использованием технологий РТЛ, РЕТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, КМОП. На рис. представлен логический элемент, выполняющий логическую операцию И-НЕ.

Условное графическое обозначение элемента И-НЕ. Кружок на выходе логического элемента говорит о том, что элемент выполняет операцию инверсии (отрицание, НЕ). Символ «&» внутри прямоугольника свидетельствует о том, что данный элемент выполняет логическую операцию конъюнкции (логическое умножение, И). Два указанных символа совместно обозначают логическую операцию И-НЕ.

• Элементы, реализующие другие логические функции, имеют другую конфигурацию (другую схему построения). • На базе логических элементов строятся все цифровые устройства: дешифраторы, сумматоры, триггеры, регистры и т. д.

Как работает ЛЭ

Таблица истинности X 1 X 2 y 1 0 0 1 2 0 1 1 3 1 0 1 4 1 1 1 0 Если входные сигналы x 1 и x 2 равны нулю, то транзисторы VT 1 и VT 2 будут открыты, а транзисторы VT 3 и VT 4 закрыты. Термин «открытый транзистор» означает, что сопротивление канала транзистора становится небольшим, и между истоком и стоком протекает ток. Через открытые транзисторы VT 1 и VT 2 высокий потенциал (примерно равный напряжению питания Ucc) передается на выходной зажим Y.

2 x 1 y 1 0 0 1 2 0 1 1 3 1 0 1 4 1 1 0 Если входные сигналы x 1 и x 2 одновременно равны высоким потенциалам (единицам), то транзисторы VT 1 и VT 2 будут закрыты, а транзисторы VT 3 и VT 4 – открыты. В результате этого через открытые транзисторы VT 3 и VT 4 на выходную шину Y будет подан потенциал, близкий к нулю вольт (см. нижнюю строку таблицу истинности).

3 x 2 x 1 y 1 0 0 1 2 0 1 1 3 1 0 1 4 1 1 0 Если на входы элемента И-НЕ подать сигналы x 1 = 1 и x 2 = 0, то транзисторы VT 3 и VT 1 будут открыты, а транзисторы VT 2 и VT 4 закрыты. Через открытый транзистор VT 1 от источника питания Ucc на выходной зажим Y поступит высокий потенциал, который соответствует логической единице.

1 2 3 4 x 2 0 0 1 1 x 1 0 1 0 1 y 1 1 1 0

x 2 x 1 1 0 0 1 2 0 1 3 1 4 1 x 2 x 1 1 0 0 1 1 2 0 1 1 0 1 3 1 0 1 1 0 4 1 1 0

Триггеры

Триггеры Существует несколько широко распространенных типов триггеров: RS-, D-, T-, JK– триггеры и др. Простейшими являются RS–триггеры, причём они входят в состав более сложных конструкций. Триггеры Dтипа используются для построения регистров. T-триггеры являются счётными, они делят частоту входного сигнала на два и служат для построения двоичных счетчиков. JK–триггеры являются универсальными. На их основе можно реализовать любой из перечисленных типов триггеров.

RS-триггер Q S Буквы RS являются аббревиатурой английских слов Reset (сброс) и Set (установка). Q Триггер управляется сигналом логического нуля (активный сигнал 0). Если на S-вход подать сигнал логического нуля, а на R-вход подать сигнал логической единицы, то триггер установится в единичное состояние. При этом на прямом выходе Q будет присутствовать сигнал логической единицы, а на инверсном выходе Q (NQ) сигнал логического нуля. T R Если теперь на оба входа триггера подать сигналы логической единицы, то он перейдет в режим хранения информации. Его состояние не изменится до прихода новых управляющих сигналов, поступающих на входы R и S.

Принцип действия RS-триггера 1 RS триггер, построен на логических элементах И-НЕ. С помощью переключателей 1 и 2 можно изменять сигналы на входах логических элементов DD 1 и DD 2. Показанное на рисунке состояние соответствует подаче логического нуля на элемент DD 1 и логической единицы на элемент DD 2.

Принцип действия RS-триггера 2 • В данном примере логическому нулю соответствует потенциал, близкий к нулю (поэтому переключатель 1 подсоединен к корпусу, земле устройства). • Логической единице соответствует некоторое положительное напряжение. По этой причине вход R триггера через переключатель 2 и резистор подсоединен к источнику напряжения +U.

X 2 1 2 3 4 X 1 Y 0 0 1 1 0 В соответствии с таблицей истинности для логического элемента И-НЕ на выходе Q элемента DD 1 появится сигнал логической единицы (светодиод Н 1 загорится). Сигнал логической единицы с выхода элемента DD 1 подается на верхний вход элемента DD 2, на нижний вход которого в это время также подается сигнал логической единицы. В соответствии с таблицей истинности элемента И-НЕ на выходе DD 2 появится логический ноль (светодиод Н 2 погаснет). Такая комбинация входных сигналов соответствует режиму установки триггера в единичное состояние.

X 2 1 2 3 4 X 1 Y 0 0 1 1 0 Если теперь переключатель 1 переместить в верхнее положение (подать сигнал логической единицы на вход S), то триггер перейдет в режим хранения информации. Его состояние останется прежним, так как на нижний вход элемента DD 1 подается сигнал логического нуля.

Чтобы изменить состояние триггера (перевести его в нулевое состояние), следует на вход R подать сигнал логического нуля. Для этого нужно переключатель 2 перевести в нижнее положение. 1 2 3 4 x 2 0 0 1 1 x 1 0 1 y 1 1 1 0 Сигнал логического нуля на нижнем входе элемента DD 2 вызовет появление логической единицы на инверсном выходе триггера NQ. В результате загорится светодиод Н 2, а сигнал логической единицы с выхода DD 2 попадет на нижний вход элемента DD 1. В соответствии с таблицей истинности, наличие двух единиц на входах приведет к появлению логического нуля на выходе элемента И-НЕ. Триггер перейдет в нулевое состояние. Указанная комбинация входных сигналов соответствует режиму записи нуля.

Зачем нужны триггеры? • Триггеры являются основными элементами, из которых состоит статическая оперативная память. На триггерах строят счетчики и регистры. • С помощью регистров, например, осуществляется операция сдвига, которая нужна для реализации операции умножения. • С помощью регистров преобразуют параллельный код в последовательный (и наоборот). Это необходимо, например, для работы модема (многоразрядные слова, циркулирующие внутри ЭВМ, нужно передавать по двухпроводной линии связи).

Четырехразрядный регистр памяти На рисунке показан четырехразрядный регистр памяти, построенный на синхронных D-триггерах. Информация в триггеры DD 1…DD 4 записывается при поступлении на входы C 1 разрешающего (синхронизирующего) импульса. Синхронизирующий сигнал формируется с помощью ключа С. В каждый триггер записывается та информация, которая присутствует на входе D. Например, на входе D триггера DD 1 присутствует сигнал логической единицы, поэтому он установится в единичное состояние и светодиод Н 1 загорится. В это же время триггер DD 2 установится в нулевое состояние, так как на его D-входе присутствует логический ноль. Этот сигнал сформирован с помощью ключа 2.