Структурные единицы компьютера

При конструировании и анализе функционирования компьютера обычно выделяют следующие структурные единицы компьютера: элементы, узлы, блоки и устройства.

Элементы компьютера выполняют функции простейших преобразователей информации. Они реализуют различные логические операции над сигналами входных двоичных переменных, а также обеспечивают запоминание, формирование и преобразование этих сигналов.

Функционально взаимосвязанные группы таких элементов образуют различные узлы компьютера, которые оперируют с многоразрядными двоичными кодами, например машинными словами или их частями.

Элементы и узлы являются основой для построения блоков компьютера.

Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информаци­онных слов, обеспечивающую некоторую функцию, например, выборку команд или выполнение операций записи и чтения данных.

В свою очередь, устройства, состоящие из блоков, являются теми наибольшими структурными единицами, из которых состоит компьютер, например, процессор, дисплей, клавиатура и т.д.

Несмотря на огромное количество элементов, находящихся в составе компьютера, число их разновидностей (типов) относительно невелико. Это существенно упрощает процесс проектирования компьютера и повышает технологичность ее изготовления. Типовой набор образует систему элементов компьютера, которая обладает общими электрическими, конструктивными и технологическими свойствами, использует однотипные связи между элементами, совместимые по своим входным и выходным параметрам.

Рассмотрим вначале способы представления двоичной информации и основные характеристики элементов, определяющих функциональные возможности различных узлов, блоков и устройств компьютера.

Прежде всего, любая система элементов характеризуется определенным способом представления двоичных данных. Поступающие на вход элементов двоичные переменные (0 или 1) представляются такими физическими сигналами, которые принимают два хорошо различимых значения. Для этой цели применяются два способа: потенциальный и импульсный.

При потенциальном способе (рис. 1.2.14) двоичные цифры представляются различными уровнями напряжения, например низкому уровню U_н соответствует 0, а высокому U_в – 1. Разность между этими уровнями называется логическим перепадом U_п. Постоянным уровням напряжения, на входе (U_вх(0), U_вх(1)) и выходе (U_вых(0), U_вых(1)) элемента соответствует статический режим его работы; изменения этих уровней (от высокого напряжения к низкому напряжению или наоборот) вызывают в элементе переходные процессы, характеризующие динамический режим.

Рис. 1.2.14. Потенциальная форма представления двоичных данных

При импульсном способе двоичным переменным соответствует наличие (в случае 1) или отсутствие (в случае 0) импульса напряжения определенной длительности (рис. 1.2.15). Иногда двоичные цифры 0 и 1 представляются импульсами напряжения различной полярности.

Рис. 1.2.15. Импульсная форма представления двоичных данных

Импульсные сигналы фиксируют значения двоичных переменных в определенные дискретные интервалы времени, называемые тактами. Для задания границ этих тактов (t=0, 1, 2,...) в компьютере применяются специальные блоки, генерирующие тактовые сигналы различных частот.

В зависимости от способа представления двоичных данных элементы компьютера делятся соответственно на потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные элементы. Наибольшее распространение получили потенциальные элементы, которые отличаются технологичностью интегрального исполнения, меньшей чувствительностью к помехам, высокой надежностью в работе и т. д. Следует отметить, что импульсные элементы требуют строгой синхронизации информационных сигналов, так как в противном случае может нарушиться их физическое взаимодействие во времени.

При проектировании различных узлов и устройств компьютера оцениваются и сравниваются их технические характеристики.

Основными техническими характеристиками элементов компьютера являются:

· потребляемая мощность;

· помехоустойчивость;

· быстродействие;

· среднее время задержки.

Многие из этих характеристик рассматриваются как в статическом, так и в динамическом режиме работы элемента.

Потребляемая мощность определяет требования, предъявляемые к используемым источникам электропитания. В статическом режиме она зависит от логического состояния элемента (0 или 1), поэтому в качестве параметра обычно используется ее среднее значение; в динамическом режиме потребляется дополнительная мощность, которая возрастает с увеличением частоты переключения элемента.

Помехоустойчивость элемента также рассматривается в статическом и динамическом режимах его работы. Статическая помехоустойчивость определяется значением напряжения, которое может быть подано на вход элемента относительно уровней 0 или 1, не вызывая его ложного срабатывания. Динамическая помехоустойчивость элемента зависит от временных параметров импульса помехи, его формы и амплитуды, скорости переключения элемента и т. п. Часто импульсные помехи являются внешними по отношению к данному элементу и не зависят от его параметров. Влияние таких помех уменьшают путем улучшения экранирующих свойств конструкции и линий межэлементных связей.

Быстродействие элементов определяется предельной рабочей частотой сигналов, поступающих на его вход. Стремление к увеличению этой частоты вынуждает сокращать до минимума длительность входных сигналов. В быстродействующих компьютерах она составляет десятки наносекунд, и даже единицы наносекунды (10^-8 - 10^-9 с). Кратковременный и прерывистый характер воздействия сигналов на схемы элементов вызывает в них переходные процессы, при которых изменение логического состояния элемента происходит не мгновенно, а в течение времени формирования переднего и заднего фронтов выходных сигналов. Передний фронт формируется при переходе элемента из состояния 0 в состояние 1, а задний – при переходе из 1 в 0.

Из-за наличия фронтов срабатывание элемента происходит с определенной задержкой. Для оценки времени задержки распространения сигнала в последовательно включенных элементах используется среднее время задержки для каждого элемента. У наиболее быстродействующих элементов это время составляет единицы наносекунды.

Техническая реализация комбинационных схем и цифровых автоматов требует использования соответствующих элементов. Комбинационные схемы выполняются на логических элементах; цифровые автоматы кроме логических элементов используют также запоминающие элементы, которые фиксируют их внутренние состояния.

Логические элементы обеспечивают реализацию различных логических функций от входных двоичных переменных, например функций И, ИЛИ и НЕ. Названные функции образуют функционально полный набор, поэтому с помощью таких элементов можно построить любые сложные комбинационные схемы. Однако в ряде случаев проще реализовать некоторые логические схемы с использованием более сложных логических элементов, например, элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, каждый из которых также образует функционально полный набор, обеспечивающий построение любых комбинационных схем.

Логические элементы обычно выпускаются в виде микросхем малой и средней степени интеграции, в которых реализуются разнообразные совокупности логических операций, таких, как И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др.

Запоминающие элементы выполняют функцию памяти для двоичных переменных 0 и 1, для чего они должны иметь два устойчивых состояния равновесия, одно из которых принимается за 0, а другое – за 1. Каждому из этих состояний соответствуют различные выходные сигналы. В запоминающих элементах с помощью входных сигналов устанавливается необходимое состояние, которое сохраняется неизменным после прекращения действия этих сигналов. Эти элементы, как правило, реализуются с помощью различных типов триггеров.