КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 6 страница

Проведём синтез БФВС. Построим карту Карно для выходных сигналов комбинационной схемы БФВС. (т. е. для сигнала С).

С=Q₃Q₀.

Составим из БЭА, БВЭА и БФВС схему конечного автомата:

Вспомним соответствие с общей структурой КА:

Проверим работоспособность схемы на примере перехода из состояния 9 в 0 и формирования С. В этом состоянии Q₃=1, Q₂=0, Q₁=0, Q₀=1 (см. 1 и 0 в схеме). При этом сформируются сигналы возбуждения: q₃=1, q₂=0, q₁=0, q₀=1 и, следовательно, следующим состоянием КА будет: Q₃=Q₂=Q₁=Q₀=0 и С=1, что соответствует правильной работе двоично-десятичного счётчика.

Задание 78. Синтезировать схему КА, который, при подаче на вход счётных импульсов, переходит последовательно в состояния в соответствии с рисунком.

Задание 79. Синтезировать схему КА, который на входные счётные импульсы последовательно формирует на выходах двоичные коды, соответствующие числам 0, 2, 4, 5, 7, 9. В качестве ЭА выбрать Т-триггеры.

Задание 80. Синтезировать схему КА в соответствии с заданием №79, но с использованием в качестве ЭА RS-триггеров.

2. Организация ЭВМ.

2.1. Типовые структурные элементы цифровой техники.

2.1.1. Основные характеристики и классификация цифровых элементов вычислительной техники.

Типовыми структурными элементами называются наименьшие функциональные части из которых состоят устройства цифровой техники.

Это:

- элементы реализующие логические функции,

- элементы преобразующие информацию,

- элементы запоминающие информацию,

- вспомогательные элементы (генерирующие, формирующие и усиливающие сигналы).

По способу представления информации структурные элементы делятся на:

- импульсные («0» - отсутствие импульса напряжения, «1» - наличие импульса напряжения)

- потенциальные («0» - один уровень напряжения, «1» - другой уровень напряжения)

Условные обозначения схем.

0123456 – номера элементов обозначения

0 – буква «К» или «»

1+2 – обозначение серии

3 – буква, указывающая на функциональный класс

4 – буква, указывающая на группу данного функционального класса

5 – число, указывающее номер разработки данной микросхемы в серии

6 – буква, цветная точка или др. – маркировка по разбросу параметров, предельным эксплутационным режимам и другим признакам, вызванным отклонением технологического процесса.

Микросхема дана в технических условиях на серию.

К – широкое потребление

серия – ряд функционально различных микросхем объединённых по технологии, параметрам, конструктивному оформлению.

Обозначение серии:

1 элемент – цифра, указывающая на технологический признак

1, 5, 7 – полупроводниковые микросхемы

2, 4, 6 – гибридные микросхемы

3 – плёночные микросхемы

например:

К155ЛАЗ

2.1.2. Мультиплексоры и дешифраторы.

I. Мультиплексор – схема, передающая сигналы с одной из нескольких входных линий в выходную линию

При подаче на управляющие входы двоичного кода и на вход W нуля, к выходу подключается только тот вход, номер которого в десятичном изображении совпадает со значением двоичного кода на управляющих входах. Информация на других информационных входах не влияет.

Реализация логических функций на мультиплексорах. (любых КС).

Пусть задана функция трёх переменных на мультиплексорах. Составим ТИ.

Для функции 4-х переменных:

Для функции 5-ти переменных:

II. Дешифратор – КС преобразующая код, подаваемый на входы, в сигнал на одном из выходов.

n – входов, 2ⁿ – выходов

функциональное обозначение

Следовательно:

Прямоугольные дешифраторы:

1 ступень – 2 линейных дешифратора

2 ступень – матричная схема

Синтез матричного дешифратора при n=4, n⁴=16 выходов.

Пример 3-х ступенчатого матричного дешифратора при n=8:

плюс – меньше аппаратуры

минус – быстродействие

Пирамидальные дешифраторы:

элемент i-ой ступени нагружен

только на 2 элемента i+1-ой ступени

Промежуточное значение между

линейным и матричным.

2.1.3. Сумматоры.

- КС для выполнения арифметических и логических операций над числами

Замечание: операция сложения в ЭВМ сложнее операции суммирования, т. к. учитывает: знаки чисел, выравниваются порядки, проводится нормализация и др.

одноразрядные или многоразрядные.

суммирование: последовательное, параллельное, параллельно последовательное (по группам).

I. Сложение многоразрядных чисел.

Последовательный сумматор:

слова А и В поступают с младших разрядов

- элемент задержки на 1 такт

Параллельный сумматор:

Параллельно последовательный сумматор:

Пример:

в 155 серии

полный 2-х разрядный параллельный сумматор

(реализация многоразрядного сумматора на ИМ1)

2.1.4. Триггеры.

Это КА с двумя устойчивыми состояниями. Хранит 1 бит

- регенеративная схема (собственно триггер)

- схема управления

Триггер RS-типа

CRS-триггер

(синхронизируемый RS-триггер).

S и R – информационные входы, С – вход синхронизации (clock – времязадающий)

D-триггер (“delay” – задержка)

Исключается возможность одновременной подачи 2-х единиц на S и R входы.

Нет запрещённых состояний.

Двухтактный RS-триггер.

триггер состоит из двух RS-триггеров и инвертора.

Т-триггер (счётный)

JK-триггер

Тоже на базе двухтактного (универсален)

С	J	K	Q(t+1)
			Q(t)
	Q(t)

2.1.5. Регистры и счётчики.

I. Регистры.

КА предназначенный для записи, хранения и считывания слов.

Кроме того можно:

- сдвиг слова влево или вправо на требуемое число разрядов;

- преобразование прямого кода в обратный (и наоборот);

- преобразование параллельного кода в последовательный (и наоборот);

- выполнение поразрядных логических операций (конъюнкций, дизъюнкций, сложение mod2 и др.)

Основная функция – запоминание.

А. Статический регистр.

n-разрядное слово

Считывание слова в прямом и обратном кодах:

		…

Поразрядные логические операции:

ПК – приём кода

дизъюнкция

конъюнкция

сложение по mod2

Схема регистра без предварительной установки в «0». Требует парафазных входов:

Б. Сдвигающие регистры.

Все разряды соединены последовательно. Нужны сигналы сдвига.

Идея:

ЭП – элементы памяти

ЭС – элементы связи (задержки)

Сдвиг регистра на CRS-триггерах:

парафазный сдвиг 2 такта

Сдвиг регистра на D-триггерах:

Сдвиг регистра на JК-триггерах:

Однотактные схемы

К155ИР1

D₀ – вход последовательной записи

D₁-D₄ – запись параллельным кодом

С₁ и С₂ – входы сдвига вправо и влево

V – вход управления

возможен сдвиг по кольцу

II. Счётчики.

КА выполняющий функцию подсчёта количества импульсов за некоторое время, а также формирования и запоминания двоичного кода, соответствующего этому количеству.

Иначе это: преобразователь числа импульсов в двоичный код.

перенос может быть организован:

- последовательным (рассмотрим)

- сквозным (самостоятельно)

- групповым (самостоятельно)

А. Простые счётчики с последовательным переносом:

_____ - сложение; - - - - - - вычитание; t_{установки max}=

Б. Реверсивные счётчики с последовательным переносом.

Сложение. Вычитание. С и В – постоянные потенциалы.

Пример: Было 3, вычитаем 4, В подаём 1, подаём ûùûùë. Итог -1.

одновременная подача

«1» на вход & и R – уст. в «0»

R₀ – вход общего сброса

С – вход синхронизации параллельной записи

Режимы К155ИЕ7:

параллельной записи: информация на D₁-D₄; R=C=0; +1=-1=1

Режим прямого счёта: +1=ûùë; -1=С=1; R=0

Режим обратного счёта: -1=ûùë; +1=C=1; R=0

2.2. Структура и принципы организации ЭВМ.

2.2.1. Принципы действия и основные характеристики ЭВМ.

Принцип действия рассмотрим по общей структуре:

ЭВМ содержит следующие основные устройства:

АЛУ – производит арифметические и логические преобразования над операндами

УУ – производит автоматически управление вычислительным процессом посредством сигналов управления, посылаемых всем устройствам ЭВМ

ОП – (ОЗУ) – производит запись, хранение и выдачу информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе

УВвода – производит считывание программ и исходных данных с носителей информации.

УВывода – производит выдачу результатов путём отображения её на АЦПУ или экране дисплея

ПУ – позволяет оператору проводить пуск, останов, тестирование ЭВМ и, если надо, вмешиваться в вычислительный процесс

ПРОЦЕССОР=АЛУ+УУ; ЯДРО=ПРОЦЕССОР+ОЗУ

Основные характеристики ЭВМ.

1) Производительность (быстродействие). Оценивается по смесям команд.

«Смесь Гибсона» - (для оценки производительности решения научно-технических задач). Включает: сложение, вычитание, умножение, деление (с фиксированной и плавающей запятыми), логические операции, команды передачи управления, операции с различными коэффициентами.

Производительность:

k – коэффициент, t – время, n – число команд в смеси.

2) Эффективность.

, где S_ЭВМ – стоимость ЭВМ, S_Экспл. – стоимость эксплуатации (помещения, энергии, обслуживания)

3) Объём оперативной памяти.

Оценивается в Кбайтах или Мбайтах. 1Кбайт=1024байта

4) Разрядность машинного слова.

5) Надёжность.

По-разному. Например коэффициент готовности:

, где Т – время наработки на отказ, Т_В – время наработки на восстановление

6) Дополнительные характеристики.

Габариты. Вес. Энергопотребление. Климатические условия. Стоимость. Программное обеспечение и др.

2.2.2. Устройства памяти.

I. Основные понятия и определения.

Память ЭВМ – совокупность устройств для записи, хранения и выдачи информации

Информация – некоторая совокупность сведений, данных, знаний.

По Шеннону – мера неопределённости

, где H – энтропия (мера неопределённости), n – количество состояний, р_k – вероятность k-ого состояния

Измерение информации (количеством) I=H_апр.-Н_апост. есть мера уменьшения неопределённости.

Н_{априорная} – информация до опыта, Н_{апостариорная} – информация после опыта.

Пример:

Бросок монеты.

n=2; p₁=p₂=0,5

Н_апр.=(-0,5log₂0,5)­+(-0,5log₂0,5)=1

H_апост.=0 (после броска).

Следовательно: I=1-0=1. Это бит.

Единица информации это неопределённость любого процесса имеющая 2 равновероятных исхода.

Характеристика памяти.

а) ёмкость памяти

б) удельная ёмкость – отношение ёмкости ЗУ к его физическому объёму

в) быстродействие ЗУ – характеризуется выполнением основных операций: записи и считывания информации.

- время обращения при считывании

- время обращения при записи

t_обр.=max(, ).

=t_{поиска (доступа)}+t_{считывания}+t_записи.

г) стоимость хранения 1-цы информации (бита)

в диапазоне 10^-1-10^-6 руб./бит

Замечание:

увеличение ёмкости ЗУ => уменьшение быстродействия

увеличение времени обращения => уменьшение стоимости бита.

1 – полупроводниковые ЗУ; 2 – ЗУ на магнитных лентах

II. Классификация ЗУ.

а) по физическому принципу:

- электронные (полупроводниковые)

- магнитные

- магнитооптические

- оптические

б) по способу организации доступа к информации:

- с произвольным доступом (время не зависит от места расположения информации в ЗУ) Цикл обращения 10нСек - 1-2мсек

- с прямым доступом (циклическим) (магнитный барабан, диск). Цикл обращения 10мсек - 0,1сек

- с последовательным доступом (магнитная лента). Цикл до нескольких секунд

в) по реализуемым операциям обращения

- с произвольным обращением (и запись и считывание)

- с обращением только при считывании (записи нет)

г) по функциональному назначению в ЭВМ

I

ЗУМик. п – ЗУ микропрограмм

СОЗУ – сверхоперативное запоминающее устройство

II

ОЗУ – оперативное ЗУ

III

Собственная память каналов обмена (оперативное ЗУ канала + буферное ЗУ)

IV

Внешнее ЗУ (диски, барабаны)

хранят основную информацию вне ядра

V

внешнее ЗУ (диски, ленты)

хранят архивные данные

III. Адресная организация ЗУ и их структуры.

Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве (ЗМ). Запоминающий массив – совокупность однотипных запоминающих элементов.

Структура адресной организации ЗУ с произвольным доступом:

Каждая ячейка памяти в ЗМ имеет свой адрес.

Поиск слова осуществляется по адресу ячейки.

На принципах адресной организации основано ОЗУ. Адрес ячейки поступает на регистр адреса, т. к. в нём n разрядов то возможна адресация 2^N слов ЗМ. В зависимости от подачи сигнала на «чтение» или «запись» в регистр слова поступит считанное слово, или из регистра поступит в ЗМ.

Развернём структуру:

Операция записи:

Операция считывания:

Поиск по сайту: