Несмотря на различное конструктивное офор­мление и назначение машин, детали и узлы в них в ос­новном одинаковые (типовые, нормальные и стандартные). Сборочные единицы и детали можно разделить на элементы общего назначения (болты, гайки, зубчатые колеса, валы и др.) и элементы специального назначения, которые используются в специальных типах машин (шнек, поршень, цилиндр и др.)- Рассмотрим классификацию элементов обще­го назначения.

Первая группа элементов - соединения - является наи­более общей. Соединения (соединительные детали) предназна­чены для фиксации взаимного положения деталей и объеди­нения их в сборочные единицы и узлы. К ним относятся свар­ные, заклепочные, резьбовые, соединения вал-ступица и др.

Вторая группа элементов - передачи. Они осуществляют передачу энергии от двигателя к исполнительному органу. К этой группе относятся:

элементы, передающие вращательное движение. Они делятся на передачи зацеплением - цилиндрические, конические, планетарные, волновые, червячные и цепные; передачи трением - ременные, фрикционные, а также валы и соединяющие их муфты. Их основные детали - зубчатые и червячные колеса, червяки, шкивы, звездочки,ремни, цепи;

элементы, преобразующие движение. Это передачи рычажные, кулачковые, винт-гайка. Их детали - рычаги, тяги, кулачки, копиры, ходовые винты, гайки.

Третья группа элементов включает несущие и базирую щие элементы:

валы и оси, которые поддерживают вращающиеся детали (кроме того, валы передают вращающий момент);

подшипники - опоры вращающихся валов и осей, базирующиеся в корпусных деталях;

направляющие, поддерживающие поступательно движущиеся детали;

корпусные и несущие детали - основные части редуктора, воспринимающие нагрузки (на них монтируются и базиру­ются остальные детали и узлы).

Отдельные группы составляют:

устройства для защиты узлов от загрязнений (уплотнения, кожухи, крышки);

системы для смазывания (форсунки, штуцеры, жиклёры, трубопроводы);

упругие элементы (пружины, рессоры, амортизаторы).

В особую группу входят элементы специального назначе­ния, например для ЛА характерны винты, шасси, элероны, шпангоуты, лонжероны и др.

Примером механизма, содержащего большинство элементов общего назначения является редуктор. Редукторы  меха­низмы, используемые для пониже­ния угловых скоростей и увеличе­ния крутящих моментов, выпол­ненные в виде отдельного агрегата. В соответствии с классификацией редуктор имеет следующие элемен­ты: корпус 1, зубчатое колесо 2, вал 3 , подшипник 4 и муфту 5 .

классификация элементов технических объек­ тов по производственно  технологическим признакам :

Металлические детали, изготовляемые механической обра­боткой, литьем, сваркой, штамповкой, ковкой и др.;

Неметаллические детали, получаемые прессованием, фор­мованием, склейкой.

Способ изготовления определяет облик детали и ее прочно­стные характеристики.

В особую группу входят элементы системы управления, включающие электрические и электронные устройства, кото­рые рассматривать не будем.

По характеру нагружения детали можно разделить на вос­принимающие статическую или динамическую нагрузку или ударное воздействие.

При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы.

Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразование входной информации Х в выходную У (см. рис. 2.1).

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах системах интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. 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.). Основу набора обычно составляют большие БИС и даже сверхбольшие интегральные схемы. На очереди следует ожидать появления ультра больших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.

В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе представления сигналов единичному значению некоторой двоичной переменной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряжения), нулевому значению - отсутствие импульса (рис. 3.1, а). Длительность импульсного сигнала не превышает один такт синхроимпульсов.

При потенциальном или статическом представлении сигналов единично значение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, а нулевое значение - низким уровнем (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1. а - импульсные сигналы; б - потенциальные сигналы

Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.

При последовательном коде 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. Такой вид представления и передачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки Определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).

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 при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.

Во всех вычислительных машинах используются и параллельно-последовательные коды представления информации. При этом информация отображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом.

По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.

К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т.п. Данные элементы служат для выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).

В каждой ЭВМ имеются специальные блоки, формирующие сигналы тактовой частоты, серии синхронизирующих и управляющих сигналов, координирующих работу всех схем ЭВМ. Интервал времени между импульсами основной частоты называется тактом. Длительность такта является важной характеристикой ЭВМ, определяющей ее потенциальную производительность. Время выполнения любой операции ЭВМ связано с определенным числом тактов.

Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями, рассмотренными в п.2.4. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.

Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений. Только запоминающие элементы в схемах ЭВМ позволяют проводить обработку информации с учетом ее развития.

В настоящее время фундаментом всех компьютерных устройств являются двоичные электронные логические элементы. Поэтому понимание базовых идей их функционирования для представления об общей логике работы компьютера трудно переоценить.

Логические элементы

Может показаться, что для реализации сложных логических функций требуется большое разнообразие логических элементов. Тем не менее из теории логических функций следует, что достаточно очень небольшого базового набора, чтобы с помощью различных комбинаций, его составляющих, можно было получить абсолютно произвольную функцию (такой набор называется полным 1). Базисный набор может быть сформирован различными способами, но чаще всего используется классическая “тройка” логических операций И, ИЛИ, НЕ. Именно эта “тройка” применяется в книгах по логике, а также во всех языках программирования: от машинных кодов до языков высокого уровня. Обозначения логических элементов 2 , реализующих соответствующие операции, показаны на схемах a –c . Соответствующие им таблицы истинности приведены в статье “Логические операции. Кванторы”.

Часто к указанному списку добавляют еще элемент “исключающее ИЛИ” (схема d ), который позволяет сравнивать двоичные коды на совпадение. Данная операция имеет и другие практически полезные свойства, в частности, восстанавливает исходные данные в случае повторного применения, что удобно использовать, например, для временного наложения видеоизображений.

Классический базис не является единственным. Более того, на практике инженеры предпочитают альтернативный вариант на основе единственного комбинированного логического элемента И-НЕ (схема e ). Несложно показать, что из элементов И-НЕ можно построить все примитивы классического базиса 3 .

Отметим, что на практике логические элементы могут иметь не только два, но и значительно большее количество входов (для примера см. схему на с. 4).

Внутренняя электронная схема логического элемента может быть различной, более того, она может существенно совершенствоваться по мере развития технологий производства.

Изготовление логических микросхем прошло огромный путь - от одиночных логических элементов до больших интегральных схем (БИС) вплоть до микропроцессора. Уровень сложности БИС таков, что разобраться в их внутреннем устройстве для неспециалиста не то что нецелесообразно, а просто невозможно. В результате для понимания наиболее общих принципов работы современной ЭВМ удобнее и правильнее рассмотреть несколько типовых узлов, а изучение поведения отдельных БИС заменить изучением функциональной схемы компьютера.

В качестве характерных цифровых узлов выберем два наиболее важных и интересных - сумматор и триггер . Первый из них замечателен тем, что составляет основу арифметико-логического устройства процессора , а второй, будучи универсальным устройством для хранения одного бита информации , имеет еще более широкое применение - от регистров процессора до элементов памяти. Подчеркнем, что выбранные логические схемы принадлежат к разным типам. Так, выходные сигналы сумматора определяются исключительно установившимися на входе напряжениями и никак не зависят от поступавших ранее сигналов (в литературе такие схемы называют комбинационными ). Состояние триггера, напротив, зависит от предыстории, т.е. схема имеет память .

Рассмотрим логическую схему сумматора . Для простоты ограничимся изучением работы отдельного двоичного разряда. В этом случае сумматор будет содержать три входа - бит первого слагаемого А , второго - В и перенос из предыдущего разряда Ci (обозначение происходит от английских слов Carry in - входной перенос), и два выхода - результирующая сумма S и выходной перенос C o (Carry out ). Таблица истинности для полного одноразрядного сумматора имеет вид:

При построении практической схемы оказывается удобным сумматор представить в виде двух полусумматоров , первый из которых складывает разряды А и В , а второй к полученному результату прибавляет бит переноса из предыдущего разряда Ci . Таблица истинности для полусумматора значительно упрощается:

Несложный анализ таблицы показывает, что для реализации полусумматора достаточно соединить параллельно входы двух логических элементов: И и исключающее ИЛИ (см. схему a ). Если скомбинировать два полусумматора, как показано на схеме b , то получится полный сумматор, способный осуществить сложение одного бита чисел с учетом возможности переноса.

Перейти к многоразрядным числам можно, например, путем последовательного соединения соответствующего количества сумматоров. Мы не будем обсуждать возникающие при этом проблемы ускорения процесса переноса в такой схеме: для того чтобы иметь некоторое представление о том, как компьютер производит вычисления, полученных знаний уже достаточно.

Стоит особо подчеркнуть, что сумматор играет важную роль в реализации не только сложения, но и других арифметических действий - он фактически является основой арифметического устройства современного компьютера.

Его схема приведена на рисунке, а таблица истинности имеет следующий вид:

Как видно из схемы выше, триггер собран из четырех логических элементов И-НЕ, причем два из них играют вспомогательную роль инверторов входных сигналов. Триггер имеет два входа, обозначенные на схеме R и S , а также два выхода, помеченные буквой Q , - прямой и инверсный (черта над Q у инверсного выхода означает отрицание). Триггер устроен таким образом, что на прямом и инверсном выходах сигналы всегда противоположны.

Как работает триггер? Пусть на входе R установлена 1, а на S - 0. Логические элементы D 1 и D 2 инвертируют эти сигналы, т.е. меняют их значения на противоположные. Поскольку на одном из входов D 4 имеется 0, независимо от состояния другого входа на его выходе обязательно установится 1. Эта единица передается на вход элемента D 3 и в сочетании с 1 на другом входе порождает на выходе D 3 логический 0. Итак, при R = 1 и S = 0 на прямом выходе триггера устанавливается 0, а на инверсном - 1.

Обозначение состояния триггера по договоренности связывается с прямым выходом. Тогда при описанной выше комбинации входных сигналов результирующее состояние можно условно назвать нулевым: говорят, что триггер устанавливается в 0 или сбрасывается . Сброс по-английски называется Reset , отсюда вход, появление сигнала на котором приводит к сбросу триггера, принято обозначать буквой R .

Аналогичные рассуждения для “симметричного” случая R = 0 и S = 1 приводят к тому, что, наоборот, на прямом выходе получится логическая 1, а на инверсном - 0. Триггер перейдет в единичное состояние - установится (установка по-английски Set ).

Проанализировав состояние схемы при отсутствии входных сигналов (рекомендуем читателям проделать это самостоятельно), убедимся, что триггер сохраняет свое “предыдущее” состояние, а значит, может служить устройством для хранения одного бита информации.

Комбинация входных сигналов R = 1 и S = 1 приводит к тому, что в этом случае на обоих выходах триггера установится 1! Такое состояние, помимо своей логической абсурдности, еще и является неустойчивым: после снятия входных сигналов триггер случайным образом перейдет в одно из своих устойчивых состояний. Вследствие этого комбинация R = 1 и S = 1 на практике не используется и является запрещенной.

Мы рассмотрели простейший RS -триггер. Существуют и другие разновидности этого интересного и полезного устройства. Все они различаются не столько принципом работы, сколько входной логикой, усложняющей “поведение” триггера.

Подобно тому, как объединяются для обработки двоичных чисел однобитовые схемы сумматоров, для хранения многоразрядных данных триггеры объединяются в единый блок, называемый регистром . Над регистром, как над единым целым, можно производить ряд стандартных операций: сбрасывать (обнулять), заносить в него код и некоторые другие. Часто регистры способны не просто хранить информацию, но и обрабатывать ее. Примером такого типа может служить регистр, который способен сдвигать находящийся в нем двоичный код, или регистр, подсчитывающий количество поступающих импульсов, - счетчик.

С выходов триггеров регистра сигналы могут поступать на другие цифровые устройства. Особый интерес с точки зрения принципов функционирования компьютера представляет схема анализа равенства (или неравенства) регистра нулю, которая позволяет организовать по этому признаку условный переход. Для n -разрядного двоичного регистра потребуется n -входовый элемент И (см. схему), сигналы для которого удобнее снимать с инверсных выходов триггеров. Фактически такая схема анализа выполняет комбинированную логическую операцию НЕ-И.

z = 0 - результат равен 0
z = 1 - результат не равен 0

В самом деле, пусть содержимое всех битов регистра равно 0. Тогда на входы элемента И с инверсных выходов триггеров поступают все 1 и результат z = 1. Если хотя бы один из разрядов отличен
от 0, то с его инверсного выхода снимается 0 и этого, как известно, уже достаточно, чтобы получить выходной сигнал z = 0 независимо от состояния всех остальных входов элемента И.

Заметим, что проверку знака числа реализовать еще проще - достаточно проанализировать состояние знакового (обычно старшего) разряда: если он установлен в 1, то регистр содержит отрицательное число.

Триггеры очень широко применяются в компьютерной технике. Помимо уже описанного применения в составе разнообразных регистров, на их основе могут еще изготовляться быстродействующие ИМС статического ОЗУ (в том числе кэш-память).

Логические узлы как основа устройства компьютера

Мы изучили только два из многочисленных узлов вычислительной техники - сумматор и регистры. Казалось бы, много ли можно понять, зная всего два этих устройства? Оказывается, не так уж и мало. Можно, например, весьма успешно попытаться представить себе, как строится арифметическое устройство процессора. В самом деле, подумаем, каким образом можно спроектировать схему для реализации сложения двух чисел. Очевидно, что для хранения исходных чисел потребуется два триггерных регистра. Их выходы подадим на входы сумматора, так что на выходах последнего сформируются сигналы, соответствующие двоичному коду суммы. Для фиксации (запоминания) результирующего числа потребуется еще один регистр, который можно снабдить описанными выше схемами формирования управляющих признаков. Наша картина получается настолько естественной и реалистичной, что мы можем найти ее в наиболее подробной учебной литературе в качестве основы устройства простых учебных моделей компьютера. В частности, очень похоже выглядит описание внутреннего устройства процессора учебного компьютера “Нейман” 4 .

В процессе рассмотрения материала статьи мы прошли путь от изучения простейшего единичного логического элемента до понимания наиболее общих идей построения весьма крупных узлов ЭВМ, таких, как арифметическое устройство. Следующий уровень знакомства с логикой работы компьютера - на уровне функциональных устройств (процессор, память и устройства ввода/вывода), будет подробно изложен в статье “Функциональное устройство ”.

В связи с этим особо хотелось бы подчеркнуть важность темы с точки зрения формирования у учеников некоторого единого представления об устройстве компьютера. Мировоззрение складывается не только (а может даже и не столько) в ходе рассуждений “о высоких материях”, но и в результате создания некоторой единой связной картины изучаемого материала. Очень важно, чтобы темы отдельных уроков не казались независимыми, выбранными кем-то по недоступным нам соображениям.
В этом смысле значение вопроса, соединяющего отдельные логические элементы с узлами реального вычислительного устройства, трудно переоценить. Иными словами, ценность материала заключается в том, что он “перекидывает мостик” между разрозненными абстрактными знаниями о логических элементах и устройством реального компьютера. В школьной практике это служит надежным средством борьбы с традиционным “Зачем все это нужно?”.

Ситуация с включением описанного материала в школьный курс информатики согласно опубликованным нормативным документам выглядит, мягко говоря, непрозрачно. В Стандартах и Примерных программах, несмотря на включение всевозможных вопросов математической логики, ни логические элементы, ни логические узлы ниже уровня “процессор–память–устройства ввода/вывода” даже не упоминаются. Зато в рекомендованных Министерством образования билетах выпускного экзамена по информатике четко сформулирован вопрос “Логические элементы и схемы. Типовые логические устройства компьютера: полусумматор, сумматор, триггеры, регистры”.

Если же руководствоваться логикой курса информатики и стремлением сформировать у школьников некоторое общее представление о том, что такое компьютер и как он работает, то необходимость изложения на уроках приведенного в данной статье материала не вызывает никаких сомнений.

1 Андреева Е.В., Босова Л.Л., Фалина И.Н. Математические основы информатики. М.: БИНОМ, Лаборатория Знаний, 2005, 328 с.

2 Ямпольский В.С. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. М.: Просвещение, 1991, 223 с.

3 Токхейм Р. Основы цифровой электроники. М.: Мир, 1988, 392.

4 Информатика. Задачник-практикум в 2 т. / Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера: Т. 1. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.

Может быть представлена как совокупность узлов, а каждый узел - как совокупность элементов.

Элемент - это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации.

По функциональному назначению элементы ЭВМ могут быть разделены на:

Логические (реализующие одну из функций алгебры логики);

Запоминающие (для хранения одноразрядного двоичного числа);

Вспомогательные (для формирования и генерации импульсов, таймеры, элементы индикаторов, преобразователи уровней и т.п.).

По типу сигналов:

Аналоговые;

Цифровые.

По способу представления входных и выходных сигналов:

Потенциальные;

Импульсные;

Импульсно-потенциальные.

Узел - совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций.

Различают два типа узлов ЭВМ:

Комбинационные;

Накапливающие (с памятью).

В свою очередь комбинационные узлы включают сумматоры, схемы сравнения, шифраторы, дешифраторы, мультипликаторы, программируемые логические матрицы и т.д.

Накапливающие узлы - триггеры , регистры, счётчики и т.п.

В цифровых устройствах переменные и соответствующие им сигналы изменяются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени. Временной интервал между соседними моментами времени называется тактом .

Информация в элементах ЭВМ может обрабатываться в последовательном или параллельном коде. При последовательном коде каждый временной такт предназначен для обработки одного разряда слова. При этом все разряды слова фиксируются по очереди одним и тем же элементом.

При параллельной обработке информации код слова развертывается не во времени, а в пространстве, т.к. значения всех разрядов обрабатываются одновременно за один такт.

ЭВМ 3-го поколения строились на основе базовых логических элементов (ЛЭ). Например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ . Важнейшими характеристиками любого базового логического элемента является быстродействие и потребляемая мощность.

В зависимости от рассеиваемой мощности различают следующие ЛЭ:

Микроватные Р до 300 мкВт;

Маломощные Р до 3 мВт;

Средней мощности Р до 30 мВт;

Мощные Р свыше 30 мВт.

По величине среднего времени задержки ЛЭ разбиваются на группы:

Низкое быстродействие tз > 50 нс, Р = 0,01-1 мВт;

Среднее быстродействие tз = 10-50 нс, Р = 1-10 мВт;

Высокое быстродействие tз = 5-10 нс, Р = 10-50 мВт;

Сверхвысокое быстродействие tз < 5 нс, Р = 50-1000 мВт.

Каждый ЛЭ кроме того характеризуется величиной напряжения, соответствующим уровням логических ""0" и ""1" , коэффициентом объединения по входу, коэффициентом разветвления по выходу.

ЛЭ объединяются в группы (серии) интегральных микросхем, например, серии К155 , К500 , К176 и др. Для всех ЛЭ повышение быстродействия сопровождается ростом энергопотребления, а повышение плотности размещения элементов на кристалле - снижением быстродействия.

Узлы комбинированного типа .

Сумматор. Для понимания принципов построения и функционирования сумматора рассмотрим пример сложения двоичных чисел:

В каждом i разряде одноразрядный сумматор должен формировать сумму Si и перенос в старший разряд.

Различают полусумматор HS (не учитывает сигнал переноса) и полный сумматор SM (учитывает сигнал переноса).

Полусумматор Полный сумматор Многоразрядный сумматор

Хi - входы

Si - выходы

Рi - перенос

Кодепреобразователь - это комбинационное устройство (КУ), имеющее m входов и n выходов и преобразующее входные m- разрядные двоичные числа в выходные n- разрядные. Чаще всего используются 2 вида - шифраторы и дешифраторы.

Дешифратор (ДС) - это КУ с m -входами и выходами, формирующие ""1"" только на одном из выходов, десятичный номер которого соответствует входной десятичной комбинации. Работа ДШ задается таблицей истинности.

Шифратор (СД) - решает обратную приведенной раньше задаче.

Мультиплексор (MUX) - это КУ, которое осуществляет коммутацию одного из своих входов Х на единственный выход У. Подключение входа к выходу, как правило, осуществляется в момент подачи на синхронизирующий вход с тактового импульса, а номер подключаемого к выходу входа определяется адресным кодом, подающимся на адресные входы мультиплексора А.

Демультиплексор (ДМХ) решает обратную задачу.

Обозначение MUX, ДМХ приведено на рисунке:

Коммутатор - это КУ с m входами и n выходами, которое по заданным адресам А входа и B выхода соединяет между собой требуемые вход и выход.

Программируемая логическая матрица - универсальная комбинационная схема для преобразования входного n- разрядного двоичного кода в выходной m- разрядный код по заданной таблице истинности. Широко используются в устройствах управления микропроцессоров.

Схемы сравнения - необходимы для организации ветвящихся процессов обработки данных и т.д. (см. рис.).

Узлы накапливающего типа.

В качестве запоминающих элементов ЭВМ используются триггеры или устройства на основе магнитных материалов.

Триггер - это конечный автомат, который обладает двумя устойчивыми состояниями и под воздействием управляющего сигнала переходит из одного состояния в другое.

По функциональному назначению различают RS , Т, JK , D - триггеры, комбинированные RST-триггеры, JKRS , DRS -триггеры и т.п. При этом применяют обозначения S , R - входы для раздельной установки триггера в состояние "1"(S) и "0"(R) .

Т - счетный вход триггера.

J, k - входы для раздельной установки Jk триггера в состояние "1" (J) и "0" (k).

D - вход для установки триггера в состояние "1" или "0" с временной задержкой относительно момента появления информационного сигнала.

С - вход синхронизации.

Состояние триггера определяется сигналом Q на его прямом выходе. Законы функционирования триггеров задаются таблицами переходов с компактной записью, при которой в столбце состояний может быть указано, что новое состояние совпадает с предыдущим либо является его отрицанием.

Рассмотрим RS - триггер. Асинхронный (не синхронизируемый) RS - триггер на интегральных элементах ИЛИ - НЕ приведен на рисунке:

Триггер образуется из 2-х элементов ИЛИ - НЕ, соединенных таким образом, что возникают положительные обратные связи, благодаря которым в устойчивом состоянии выходной транзистор одной из схем ИЛИ - НЕ закрыт, а другой открыт.

Таблица переходов RS - триггера:

Функционирование RS-триггера может быть описано выражением:

Качество работы триггеров оценивается основными показателями - такими, как быстродействие, нагрузочная способность, потребляемая мощность, помехоустойчивость.

Дополняя RS-триггер входной комбинационной схемой, можно построить любой вид триггера.

Чтобы иметь возможность синхронизировать работу узлов и устройств ЭВМ, используют синхронные триггеры, имеющие специальный вход для синхроимпульсов. Если момент срабатывания асинхронного триггера привязан к моменту изменения уровня входных сигналов, то для синхронного - к моменту поступления синхроимпульсов.

Двуступенчатые триггеры позволяют избежать сбоев при записи или считывании информации в одном такте: первая ступень осуществляет запись по переднему фронту тактового импульса, а вторая - выдачу (перезапись во вторую ступень) по заднему фронту.

Т - триггер изменяет свое состояние при приходе каждого импульса, т.е. он их считает. Используется для построения счётчиков.

Регистры . Предназначены для записи, хранения и преобразования в них двоичных чисел. В качестве элементарной ячейки регистра используется триггер, который может хранить одноразрядное двоичное число. Запись и считывание информации в регистр может производиться последовательно (поразрядно) или параллельно (всеми разрядами одновременно). В соответствии с этим различают регистры последовательные, параллельные, последовательно-параллельные, параллельно-последовательные и универсальные.

Счётчик . Функциональный узел, предназначенный для подсчета числа получивших на его вход сигналов (импульсов) и фиксации результата в виде многоразрядного двоичного числа.

Счётчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Компьютер – это сложное устройство, состоящее из множества взаимосвязанных устройств (процессор, память, контроллеры и т.д.), выполняющие определенные функции по обеспечению вычислительного процесса обработки данных. Каждое устройство выполнено на базе БИС или СБИС и представляет собой совокупность более мелких узлов (АЛУ, УУ, ОЗУ, ПЗУ и т.д.). Работа этих устройств обеспечивается с помощью типовых электронных узлов (СУММАТОРЫ, РЕГИСТРЫ, ТРИГГЕРЫ, ШИФРАТОРЫ, ДЕШИФРАТОРЫ, СДВИГАТЕЛИ), а каждый типовой электронный узел - это совокупность логических элементов (вентилей).

Логический элемент (вентиль) - это наименьшая функциональная часть, на которую может быть разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации. Физически реализуются в виде электронных схем, используя три базовые логические операции: и, или, не .

Логические элементы компьютера оперируют с электрическими сигналами (импульсами), имеющие два различные состояния (логически 1 или 0). Наиболее распространенными способами физического представления информации являются импульсный и потенциальный.

При импульсном способе код 1- наличие электрического импульса / код 0 – его отсутствие. Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины);

При потенциальном способе код 1 - высокий уровень напряжения / код 0 - низкий уровень напряжения или его отсутствие. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются. Фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия потенциала).

Операция НЕ реализована с помощью Инвертора , схема которого имеет вид:

Операция И реализована с помощью Коньюнктора , схема которого имеет вид:

Операция ИЛИ реализована с помощью Дизъюнктора , схема которого имеет вид:

С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает до восьми входов и один или два выхода.

Похожие статьи