Регистры. Функциональные узлы последовательного типа

Функциональные узлы последовательного типа

Последовательного типов

Лекция 3. Функциональные узлы комбинационного и

Вопросы для самопроверки

1) Назовите базовые типовые элементы вычислительных машин. На какие классы делятся элементы по своему назначению?

2) Дайте определение следующим логическим элементам: «И», «ИЛИ», «НЕ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «Исключающее ИЛИ-НЕ», «Исключающее ИЛИ». Приведите их условные обозначения и законы функционирования.

3) Что представляет собой автомат с памятью? Опишите его основные параметры. Какой цифровой автомат называется элементарным?

4) В чём заключаются различия между автоматами Мили и автоматами Мура? Откуда взялись названия этих автоматов?

5) Дайте определение триггеру. На какие группы делятся триггеры по функциональному назначению и способу записи информации?

6) Приведите условное обозначение RS- триггера. Объясните закон функционирования RS- триггера на базе элементов «ИЛИ-НЕ». Изучите и поясните принципы работы RS- триггера на элементах «И-НЕ».

7) Какие существуют проблемы в развитии элементной базы вычислительных машин? Каковы перспективы полупроводниковой технологии?

8) В чём заключаются особенности оптических, квантовых, молекулярных и ДНК- компьютеров?

Функциональные узлы вычислительных машин выполняют различную обработку групп сигналов (информационных слов). Принципы работы таких узлов задают базовые элементы, из которых узлы состоят. Поэтому функциональные узлы компьютеров также можно разбить на две группы: узлы комбинационного типа и узлы последовательного типа. Из всего многообразия функциональных узлов рассмотрим некоторые из них, наиболее характерные для своих групп. Для удобства начнём изучение с функциональных узлов последовательного типа.

Такие узлы позволяют накапливать или хранить двоичные данные. Типичными представителями этой группы являются регистры и счётчики, краткие сведения о которых приведены ниже.

Регистр – функциональный узел для запоминания многоразрядных слов. Регистры состоят из разрядных схем, в которых имеются триггеры, а также логических элементов. Регистры выполняют над словами ряд микроопераций /4/.

- Первая группа операций связана с приёмом слова в регистр (установка в нулевое или единичное значение, приём слова в прямом и обратном коде). Принятые данные хранятся в регистре, пока не появится команда на их смену.

- Вторая группа операций связана с выдачей слов из регистра в прямом и обратном коде.

- Третья группа операций связана с выполнением поразрядных логических операций над несколькими словами.

- Четвёртая группа операций связана со сдвигом слов в разрядной сетке (влево или вправо на определённое число разрядов), а также с преобразованием последовательного кода в параллельный и, наоборот.

По способу приёма и выдачи данных регистры делятся на три вида /4/:

1) Параллельные (статические). Приём и выдача слов производится по всем разрядам одновременно. В таких регистрах хранятся слова, которые могут быть подвергнуты поразрядным логическим операциям.

2) Последовательные (сдвигающие). Слова принимаются и выдаются последовательно, разряд за разрядом. Такие регистры могут быть нереверсивными (с однонаправленным сдвигом) или реверсивными (с возможностью сдвига в обоих направлениях).

3) Последовательно- параллельные регистры имеют входы и выходы одновременно последовательного и параллельного типа и могут выполнять взаимные преобразования кодов.

Условное обозначение регистра (на примере статического регистра) приведено на рисунке 3.1 /4/. В настоящее время большинство регистров строятся на базе D- триггеров.

D_i – информационные входы; C₁ – сигнал загрузки; Q_i – выходы триггеров; R – входы сброса; EZ – управляющий сигнал.

Рисунок 3.1 – Условное обозначение статического регистра

После сигнала загрузки (вход C₁) в регистре формируется слово (входы D_i). Для чтения из регистра оно передаётся на выходы Q_i. Все операции над словами в регистрах выполняются под управлением специальных сигналов (вход EZ).

Статические регистры состоят из разрядных схем, не связанных между собой и, соответственно, не обменивающихся данными. Общими для разрядов обычно являются цепи управления (тактирования, сброса/ установки и т.д.). Последовательные регистры представляют между собой цепочку взаимосвязанных разрядных схем.

Из статических регистров составляются блоки регистровой памяти. Дешифрация адреса записи и адреса чтения слов производится независимыми элементами, поэтому возможны одновременно чтение из одного регистра и запись слова в другой регистр. Такие регистры используются также и для образования сверхоперативной памяти. Если имеется один комплекс адресных входов и один дешифратор адреса, которые используются и при записи и при чтении слов, то созданная на основе таких регистров память представляет собой память с произвольным доступом.

По способу тактирования различают однотактные (управляются одной последовательностью синхроимпульсов) и многотактные (управляются несколькими последовательностями синхроимпульсов).

По количеству каналов передачи данных различают однофазные (данные передаются по одной цепи либо в прямом, либо в инверсном коде) и парафазные (каждый разряд передаётся и в виде прямого, и в виде инверсного значений по двум цепям).

Более подробную информацию о регистрах можно получить из /4/.

3.1.2 Счётчики

Счётчик – это автомат, который под действием входных импульсов переходит из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на его вход импульсов.

Максимальное количество импульсов, которое может зарегистрировать счётчик, называется ёмкостью счётчика. После поступления на счётчик максимального числа входных сигналов, начинается новый цикл, повторяющий предыдущий, т.е., счётчик перезапускается. Счётчики, как правило, строятся на основе каскадного включения триггеров, каждый из которых выполняет операцию деления на 2. Ёмкость счётчика, состоящего из m триггеров, будет равна 2^m, поскольку возможно 2^m различных дискретных состояний.

Специфической для счётчиков операцией является изменение их содержимого на единицу. Прибавление единицы соответствует операции инкрементации, вычитание единицы – операции декрементации. Кроме того, счётчики могут выполнять дополнительные операции: сброс, установка, хранение, выдача слов и т.д.

Основными режимами работы счётчиков является регистрация поступивших входных сигналов и деление частоты. В первом режиме в счётчике фиксируется его содержимое (цифровой код), а во втором выходными сигналами являются импульсы переполнения счётчика.

Условное графическое изображение двоичного счётчика представлено на рисунке 3.2.

C – информационный вход для импульсов; R – сигнал с предыдущего триггера; Q_i – выходы счётчика.

Рисунок 3.2 – Условное обозначение двоичного счётчика

Каждый поступающий на вход C импульс перебрасывает первый триггер в противоположное состояние. Сигнал с инверсного выхода предыдущего триггера R является входным сигналом для последующего. Таким образом, комбинация Q₀, Q₁,..., Q_n_-1 будет соответствовать числу поступивших на вход счётчика импульсов, представленному в двоичном коде.

По направлению счёта счётчики делятся на суммирующие (прямого счёта), вычитающие (обратного счёта) и реверсивные (с изменением направления счёта).

Счётчики строятся из разрядных схем, имеющих межразрядные связи. По способу организации этих связей различают:

1) счётчики с последовательным переносом – в них каждый триггер переключается выходным сигналом предыдущего;

2) счётчики с параллельным переносом – содержат разрядные триггеры с конъюкторами и при поступлении входного сигнала переключаются только те триггеры, для которых все предыдущие были в единичном состоянии (для сложения) или нулевом (для вычитания).

Схема работы счётчика (на примере суммирующего счётчика) представлена в таблице 3.1. После регистрации 16 импульсов (на выходах все единицы), следующий импульс вызовет переполнение счётчика.

Таблица 3.1 – Схема работы суммирующего счётчика