🗊Презентация ОТМП. Элементы и узлы ЭВМ. (Тема 2)

Элементы и узлы ЭВМ Тема № 2

Дискретный и цифровой сигнал. Сигнал называется дискретным, если он может принимать только конечное число значений. Цифровой сигнал -сигнал, дискретный по оси времени, представленный конечным множеством возможных значений.

Двоичный цифровой сигнал. Двоичный цифровой сигнал - сигнал, дискретный по оси времени, представленный двумя возможными значениями – уровнем нуля и уровнем единицы. Цифровой сигнал не обязательно двоичный.

Системы счисления (обзор) Способ записи чисел знаками называется системой счисления. Системы счисления делятся на непозиционные, например, римская система счисления, и позиционные. В непозиционных системах значение конкретной цифры постоянно и не зависит от ее расположения в записи числа. Примером такой системы счисления является Римская система записи числа. Например, в числе XXXVII значение цифры X не зависит от ее местоположения в записи числа. Оно везде равно 10. Система называется позиционной, если значение каждой цифры, входящей в запись числа, определяется ее местоположением в числе. В цифровой технике нашла применение только позиционная система счисления.

Системы счисления (обзор) Любое число в позиционной системе счисления можно представить в виде суммы: где Nq – число, записанное в системе счисления q; Kn – разрядные коэффициенты; qn – весовые коэффициенты. n – разрядность; q – основание системы счисления. Разрядные коэффициенты представляют собой целую степень основания системы счисления. Для десятичной: 100, 101, 102,103……

Системы счисления (обзор) Основанием системы счисления q называется общее количество символов (цифр), используемых в данной позиционной системе для записи чисел. Если принять q = 10, 2, 8, 16 и т.д., то будем иметь соответственно десятичную, двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления. Количество различных чисел, которое может быть записано в позиционной системе счисления с основанием q при заданном числе разрядов:

Системы счисления (обзор) Широкое распространение в цифровой технике получила позиционная система счисления с основанием q=2 — двоичная система счисления. По определению в такой системе есть только два цифровых знака 0 и 1. Разрядные коэффициенты представляют собой целую степень основания системы счисления: 20=1; 21=2; 22=4; 23=8,……

Системы счисления (обзор) Пример перевода из десятичной системы в двоичную.

Системы счисления (обзор) Шестнадцатеричная система счисления (hexadecimal), или система с основанием 16, использует 16 символов от 0 до 9 и А, В, С, D, E, F. В таблице приведены эквиваленты десятичных, двоичных и шестнадцатеричных чисел.

Системы счисления (обзор) Над числами в двоичной системе счисления могут выполняться арифметические и логические операции. К арифметическим относятся четыре операции: сложение, вычитание, умножение и деление. Алгоритм выполнения арифметических операций такой же, как и в десятичной системе счисления. Логические операции относятся к поразрядным (операции выполняются внутри каждого разряда без переносов и заемов).

Логические устройства Последовательным называется устройство, в котором входные переменные подаются на вход и выходные переменные снимаются с выхода не одновременно, а последовательно. Параллельным называется устройство, в котором все разряды входных переменных подаются на вход и все разряды выходных переменных снимаются с выхода одновременно. В последовательно - параллельных устройствах входные и выходные переменные представлены в различных формах. Либо на вход переменные подаются последовательно, а с выхода они снимаются одновременно, либо наоборот. По принципу действия все логические устройства делятся на два класса комбинационные устройства и цифровые автоматы. Комбинационными устройствами или автоматами без памяти называют логические устройства выходные сигналы которых однозначно определяются только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных и не зависят от значений переменных действовавших на входе ранее. Цифровыми автоматами или автоматами с памятью называют логические устройства выходные сигналы которых определяются не только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных, но и всей последовательностью входных переменных действовавших в предыдущие моменты времени.

Условные обозначения. Входы. Прямой статический вход Инверсный статический вход Прямой динамический вход Инверсный динамический вход Вывод, не несущий логической информации Гистерезисный вход

Условные обозначения. Выходы. Прямой статический выход Инверсный статический выход Вывод, не несущий логической информации Открытый вывод (Э, К или И, С) Открытый выход типа High (присутствует «верхний» ключ) Открытый выход типа Low (присутствует «нижний» ключ) Выход с третьим (высокоимпедансным “Z”) состоянием

Выходы

Выходы

Логические уровни, активные уровни, временная диаграмма

Элемент НЕ (инвертор)

Логические элементы. Элемент И

Логические элементы. Элемент И-НЕ

Логические элементы. Элемент ИЛИ

Логические элементы. Элемент ИЛИ-НЕ

Логические элементы. Элемент Исключающее-ИЛИ

Альтернатива (правило Де-Моргана в действии)

Задержки Время нарастания ttLH (transition time low -high) и время спада ttHL (transition High - low) определяются интервалами, границы которых соответствуют 10% и 90% максимальной амплитуды напряжения. Время задержки распространения при переходе от уровня low к уровню high tpLH (propagation delay time low - high) и время задержки распространения при переходе от уровня high к low tpHL (propagation delay high - low) определяются как интервалы времени между моментом времени соответствующим уровню напряжения на входе, равному 50% максимального напряжения на входе и моментом достижения такого же уровня напряжения на выходе. Время задержки распространения сигнала в логическом вентиле представляет собой среднее значение упомянутых выше интервалов времени.

Дешифратор. Дешифратором называется комбинационная цифровая схема с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если дешифратор, имеющий n входов, имеет 2n выходов, то такой дешифратор называется полным. Если количество выходов меньше, то дешифратор называется неполным.

Дешифратор На выходе дешифратора вырабатываются все возможные логические произведения всех входных переменных (конъюнктивные минтермы). Подключая к определенным выводам дешифратора логический элемент “ИЛИ” или используя дешифратор с открытым выходом и реализуя на нем «монтажное ИЛИ», можно реализовать любую логическую функцию.

Шифратор. Шифратором называется устройство, предназначенное для преобразования чисел из одной системы в другую, например, десятичной системы в двоичную.

Преобразователь кодов Преобразователи кодов предназначены для преобразования кода одного вида в код другого вида, например, преобразования двоично-десятичного кода в двоичный или обратного преобразования, для преобразования двоичного кода в код Грея, для преобразования двоичного кода в код управления шкальными или матричными индикаторами, для преобразования двоичного кода в код управления сегментными индикаторами. Пример преобразователя двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Мультиплексор. Мультиплексор имеет один выход, информационные входы и адресные или управляющие входы. В зависимости от кода, подаваемого в адресные шины X0, X1 один из информационных входов подключается к выходному каналу. Функция алгебры логики, описывающая работу мультиплексора, имеет вид:

Демультиплексор. Демультиплексором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от одного источника информации в несколько выходных каналов. Демультиплексор имеет один информационный вход, n адресных шин и 2n - выходов.

Комбинационный сумматор Комбинационный сумматор - это цифровое устройство, предназначенное для арифметического сложения чисел, представленных в виде двоичных кодов. Обычно сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров. При сложении двух чисел в каждом разряде производится сложение трех цифр: цифры первого слагаемого ai, цифры второго слагаемого bi и цифры переноса из младшего разряда Pi. В результате суммирования на выходных шинах получается сумма Si и перенос в старший разряд Pi+1.

Цифровой компаратор Цифровые компараторы предназначены для сравнения цифровых кодов. Количество входов определяется разрядностью чисел. На выходе обычно формируются сигналы A=B, A>B и A<B. На рисунке изображен компаратор на четыре разряда. Разрядность можно наращивать, например, для восьмиразрядного кода, берутся две схемы, для двенадцати - три и т.д. Можно без наращивания разработать схему любой разрядности.

Триггеры Триггером называется цифровое устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходит из одного состояния в другое под действием входных сигналов. Триггеры можно классифицировать по способу управления (приема информации), принципу построения, функциональным возможностям. По способу приема информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронный триггер изменяет свое состояние в момент прихода сигнала на его информационные входы. Синхронные триггеры изменяют свое состояние по закону входных сигналов только в момент прихода активного сигнала на его синхронизирующий вход. Если хотя бы с одного входа информация в триггер заносится под воздействием синхронизирующего сигнала, триггер называется синхронным.

Триггеры По виду активного сигнала, действующего на информационных входах триггеры подразделяются на статические и динамические. Статические переключаются потенциалом (уровнем напряжения) Динамические - перепадом (передним или задним фронтом импульса). Входные информационные сигналы могут быть прямыми и инверсными. По принципу построения триггеры можно подразделить на одноступенчатые и двухступенчатые (mastr-slave). В одноступенчатых триггерах имеется одна ступень запоминания. В двухступенчатых триггерах имеются две ступени запоминания. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. В обозначении таких триггеров дублируется символ ТТ По функциональным возможностям триггеры делятся на: RS-триггер, D-триггер, Т-триггер, JK-триггер, (DV и TV-триггеры).

Триггеры (классификация)

RS-триггер Асинхронный RS-триггер имеет два информационных входа R и S и два выхода Q-прямой и - инверсный. Под действием входного сигнала S-set - установка триггер устанавливается в состояние “1” Под действием сигнала R- reset – сброс- переходит в состояние "0" . При поступлении запрещенной комбинации на входы нарушается логика работы триггера. На прямом и инверсном выходах появляется одинаковый логический уровень, что противоречит логике. При переходе к хранению после этого состояния на выходе может, как остаться единица, так и появиться ноль. То есть, при переходе к хранению, состояние выхода будет не определено.

RS-триггер синхронный Синхронизируемый однотактный RS-триггер Входы RS синхронизируются сигналом С через элементы 2-И №1,2. Инверсные входы - асинхронные. Синхронизируемый двухтактный RS-триггер.

D-триггер синхронный D - триггер от «Delay» – задержка. Простейший элемент памяти емкостью один бит. D - триггер имеет информационный вход D и вход стробирования - С и два выхода Q - прямой и инверсный. Состояние прямого выхода Q повторяет состояние входа D при активном сигнале на синхронизирующем входе (записи) C. Состояние выхода Q не меняется при любом состоянии входа D при не активном сигнале на синхронизирующем входе (записи) C.

JK- триггер JK- триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. При поступлении сигналов на оба входа J и K триггер изменяет свое состояние на противоположное. JK-триггер является универсальным триггером. На его основе можно построить RS, D, Т-триггеры.

T- триггер Т-триггер имеет один информационный вход Т Т-триггер изменяет свое состояние на противоположное при поступлении на этот вход фронта или спада сигнала. Т-триггер – счетный триггер

Регистр Регистр — функциональное устройство, предназначенное для приема (записи) и запоминания n-разрядного слова (кода), а также для выполнения определенных микроопераций, например – сдвиг, над этим словом. Регистр представляет собой упорядоченную совокупность триггеров со схемой управления входными и выходными сигналами. С помощью регистров можно осуществлять операции преобразования информации из одного вида в другой (последовательного кода в параллельный и т. п.). При помощи объединения схемы управления (комбинационной схемы) и регистра можно осуществить различные операции, например: ввод и вывод из регистра хранимой информации; преобразование кода числа, хранящегося в регистре; сдвиг числа влево или вправо на определенное число разрядов; преобразование последовательного кода числа в параллельный и наоборот и т.д.

Регистры Регистры классифицируют по различным признакам, основными из которых являются: способ ввода информации (записи) в регистр и ее вывод, способ представления вводимой и выводимой информации. По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на: параллельные (регистры памяти); последовательные (регистры сдвига); параллельно-последовательные.

Параллельный регистр В параллельных регистрах запись информации производится в параллельном коде одновременно по всем разрядам. Параллельные регистры применяются, например, для хранения информации и поэтому называются еще регистрами памяти. Параллельный регистр может быть выполнен, например, на D-триггерах. Если вход записи динамический, запись информации производится по фронту тактового сигнала. Если вход записи статический, то при активном уровне на нем, происходит прямая передача информации с входов на выходы, а при смене сигнала на не активный уровень – фиксация данных, которые присутствовали на входе в момент смены уровня сигнала записи. На входах и выходах триггеров регистра могут стоять логические схемы для преобразования кодов в прямые или инверсные.

Регистр сдвига В сдвиговых регистрах выполняется сдвиг информации влево или вправо. Информация в регистр может записываться в последовательном или параллельном коде Информация может выводиться в последовательном или параллельном коде. В сдвиговых регистрах можно преобразовывать коды из последовательного в параллельный и обратно. Сдвиг информации в регистре в зависимости от управляющего сигнала может осуществляться влево и вправо. Такие регистры называются реверсивными. Регистры могут иметь вход, который переводит выходы в высокоимпедансное Z-состояние, производя отключение выходов регистра от шины.

Счетчики Счетчик представляет собой устройство, предназначенное для подсчета числа сигналов, поступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода, хранящегося в триггерах. Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в результате счета. Для счета и выдачи результатов в счетчиках имеется один вход и n выходов в зависимости от количества разрядов. В общем случае счетчик имеет М=2n устойчивых состояний, включая нулевое. Счетчик, установленный в определенное состояние, сохраняет его до тех пор, пока на вход не поступит следующий сигнал. Каждому состоянию счетчика соответствует порядковый номер 0, 1, 2,..., М—1. При подаче на вход счетчика М-го входного сигнала на выходе его возникает сигнал переполнения и счетчик возвращается в начальное состояние, т. е. счет единичных сигналов осуществляется в нем по модулю М. Модуль М называется коэффициентом пересчета.

Счетчики Счетчики бывают суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т. е. для суммирования входных импульсов. Вычитающий счетчик предназначен для выполнения счета в сторону уменьшения, т.е. в режиме вычитания. Реверсивный счетчик имеет вход управления, позволяющий изменять направление счета. По способу организации межразрядных связей счетчики выполняются с: последовательным переносом, параллельным переносом и параллельно-последовательным переносом. Самые простые и вместе с тем самые медленные - это счетчики с последовательным переносом. Наибольшим быстродействием обладают счетчики с параллельным переносом.

Счетчик двоичный 4-х разрядный с последовательным переносом, суммирующий. М=16.

Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета можно построить на основе двоичных счетчиков с организацией обратной связи с выходов соответствующих разрядов через схему И (дешифратор) на вход R- обнуления счетчика. Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета можно построить на вычитающих счетчиках в режиме автоматической перезагрузки по сигналу заема.

Счетчик двоичный 4-х разрядный с параллельным переносом, реверсивный. М=16. SN74LS193

Накапливающие сумматоры Накапливающие сумматоры предназначены для последовательного суммирования нескольких чисел. В каждом такте к предыдущей сумме добавляется очередное число. Накапливающие сумматоры строятся на базе комбинационных сумматоров и параллельных регистров.

Запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимое ЗУ, которое служит для хранения стандартных (неизменяемых) программ и констант, необходимых для выполнения программы. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое служебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации систем. В микропроцессорных системах, управляющих определенными объектами с использованием фиксированных или редко изменяемых программ, для их хранения также обычно используется ПЗУ (память ROM - Read-Only Memory) или репрограммируемое ПЗУ (память EEPROM - Electrically Erased Programmable Read-Only Memory или флэш-память). Масочные ПЗУ программируются исключительно в условиях полупроводникового производства. Механизмов занесения информации в программируемые ПЗУ существует несколько.

Основные принципы хранения информации Физически пережигаемые перемычки матрицы на основе нихрома или поликристаллического кремния (ограниченное применение) Элементы памяти на полевых транзисторах с плавающими (не имеющими выводов, находящиеся в толще диэлектрика между управляющим затвором и каналом) затворами с лавинно-инжекционным накоплением зарядов. Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC). MLC-приборы дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей. MLC память может быть с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку, память с 8 уровнями (3 бита) иногда называют TLC (Triple Level Cell) или 3bit MLC и более.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - энергозависимое ЗУ, которое служит для хранения данных, получаемых в результате выполнения программы. В оперативное запоминающее устройство (для принстонской архитектуры) также возможна загрузка программы или части программы и передача управления этому фрагменту программы, т.е. в ОЗУ может хранится выполняемая программа (или ее фрагменты), а также данные, подлежащих обработке. Информация, находящаяся в ОЗУ теряется при снятии питающего напряжения. Элементами памяти в статических ЗУ, как правило, являются триггеры. Один триггер может запомнить один бит информации. После записи информации в ячейку для обеспечения хранения не требуется никаких дополнительных действий до следующей записи. Чтение не влияет на состояние ячеек памяти. Память такого типа имеет высокую стоимость в силу большого количества транзисторов необходимых для построения одной ячейки памяти. При снятии питания информация разрушается.

Структура ЗУ ЗУ с двумерной адресацией позволяет осуществлять побитовую запись или считывание информации. ЗУ с такой структурой осуществляют двухкоординатную выборку запоминающих элементов матрицы, что позволяет упростить дешифраторы адреса, т. е. уменьшить число выходов дешифратора.

Структура статического запоминающего устройства объемом 32кбайт, организацией 32к * 8бит

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) С целью упрощения реализации ячейки памяти, соответственно, удешевления хранения единицы информации, увеличения объемов ЗУ широко применяется ОЗУ динамического типа. Элементом памяти в этом типе ЗУ является конденсатор. Поскольку конденсатору свойственно явление саморазряда, т.е. потери заряда вследствие наличия токов утечки, такой тип ячейки памяти требует регулярное обновление информации – так называемой регенерации.

Условные графические обозначения

Временные диаграммы ОЗУ динамического типа

АЦП Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(tj)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(tj)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(tj)}.

Классификация АЦП

Параллельный АЦП Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от 5/2h, до 7/2h, где h=Uоп/7 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором.

ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Цифро-аналоговые преобразователи можно классифицировать по следующим признакам: разрядность по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода по быстродействию