Физическое представление информации в ВМ

В качестве реальных носителей информации в вычислительных машинах могут использоваться величины различной физической природы: напряжение, ток, магнитная индукция и т.д. При изменении информации эти величины также меняются.

Для представления символов 0 и 1 чаще всего используются импульсные сигналы.

Импульсным называют сигнал, имеющий кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня.

При использовании импульсных сигналов для кодирования символов двухбуквенного алфавита, как правило, нуль представляется отсутствием сигнала в цепи связи, а единица – импульсом положительной или отрицательной полярности прямоугольной формы.

В общем случае импульс может иметь различную форму - прямоугольную, трапециидальную, экспоненциальную, колокообразную, пилообразную (рис. 2.13).

	Рис. 2.13. Виды импульсов, используемых в вычислительной технике: а) прямоугольный, б) трапециидальный, в) пилообразный, г) экспоненциальный.

Все эти импульсы называются видеоимпульсами, в отличие от радиоимпульсов, которые представляют собой пакет высокочастотных колебаний.

В вычислительной технике в большинстве случаев применяются импульсы прямоугольной формы.

Реальный импульс отличается от идеального импульса прямоугольной формы из-за переходных процессов в электронных схемах. Искажение есть всегда, в любой в электронной схеме. При проектировании электронных схем это обстоятельство учитывается.

2.3.1. Представление двоичных чисел в ЭВМ.

Для представления разрядов двоичных чисел в ВМ с помощью импульсов применяют 2 способа (рис. 2.14).

Статический способ [4]: двоичные цифры изображаются уровнями напряжения, которые сохраняются в течение всего времени следования данной цифры. При этом обычно для изображения «1» используется высокий уровень сигнала, а для изображения «0» -низкий.

Динамический способ: двоичные цифры изображаются импульсами определённой длительности. Обычно «1» изображается наличием импульса, а для «0» -отсутствием.

Наибольшее распространение получил статический способ, как более надёжный в работе.

2.3.2. Способы передачи информации в ВМ.

Для передачи информации используются три способа, они представлены на рис 2.15.

Параллельный способ передачи информации. Параллельный код отображения и передачи информации предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах, т.е. параллельный код данных развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства (количество каналов) при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.

При последовательном способе представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обработка такой информации производится последовательно разряд за разрядом. Разряды должны поступать в строго определённые моменты времени. Отметки времени прохождения каждого числа задаются специальными синхронизирующими импульсами. Такой вид представления и передачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время обработки определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).

Недостатки обоих способов сказываются тем сильнее, чем больше разрядность числа, поэтому во всех вычислительных машинах чаще всего применяют последовательно-параллельный способ, при котором число разбивается на группы и передаётся отдельными группами. Группы поступают на обработку последовательно, разряды каждой группы передаются параллельно.

2.4. Вентили, интегральные схемы.

Основные элементы, из которых конструируются цифровые компьютеры, чрезвычайно просты. Цифровые схемы могут конструироваться из небольшого числа простых элементов в различных комбинациях.

Цифровая схема – это схема, в которой определены только два логических состояния. Обычно сигнал от 0 до 1вольта представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 вольт – другое значение (например, 1). Напряжение за пределами указанного диапазона недопустимо. Крошечные электронные устройства - вентили могут вычислять различные функции от этих двух сигналов.

Логический элемент ВМ(вентиль) – это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Все узлы ВМ реализованы с помощью логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. В таблице 2.1 приведены условные изображения 5 основных вентилей и таблицы истинности для каждого вентиля. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств ЭВМ. Вентили характеризуются не состоянием контактов, а наличием сигналов на входе и выходе элемента. Из вентилей составляют более сложные схемы, которые позволяют выполнять арифметические операции и хранить информацию. Алгебра логики (булева алгебра) является средством разработки, анализа и совершенствования логических схем.

Логический элемент на схеме изображается прямоугольником, линии с левой стороны элемента представляют собой входы данного элемента, а с правой выходы. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Таблица истинности – это табличное представление логической схемы (операции), в которой перечислены все возможные сочетания значений истинности входных сигналов (операндов) вместе со значением истинности выходного сигнала (результата операции) для каждого из этих сочетаний.

Табл. 2.1

Логический элемент	Обозначение на схеме	Таблица истинности	Название схемы
А	В	X
И	X & A B				схема совпадения, дизъюнкция
ИЛИ	X A B				собирательная схема, дизъюнкция
НЕ	X A		- -		инвертор
И - НЕ	X A B &				исключающее И
ИЛИ - НЕ	X A B				исключающее ИЛИ

Пять вентилей составляют основу цифрового логического уровня. Вентили И–НЕ, ИЛИ–НЕ требуют два транзистора каждый, а вентили И и ИЛИ – три транзистора каждый. По этой причине во многих компьютерах используются вентили И–НЕ, ИЛИ–НЕ.

На практике схемы очень редко конструируются вентиль за вентилем. Сейчас стандартные блоки представляют собой модули, которые содержат ряд вентилей. Модули называются интегральными схемами (ИС) или микросхемами. Все современные вычислительные машины строятся на комплексах интегральных микросхем. Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника (квадратную пластину кремния размером примерно 5х5 мм, на котором находится несколько вентилей). Маленькие интегральные схемы помещаются в прямоугольные пластиковые или керамические корпуса размером от 5 до 15 мм в ширину и от 20 до 50 мм в длину. Вдоль длинных сторон располагается два параллельных ряда выводов около 5 мм в длину, которые можно втыкать в разъемы или впаивать в печатную плату. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого - нибудь вентиля, или с источником питания, или с «землей». Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 40, 64 или 68 выводов. Для больших микросхем часто используются корпуса, у которых выводы расположены со всех четырех сторон или снизу.

В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.).

Поиск по сайту: