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 триггеры); вспомогательные (для формирования и генерации импульсов, таймеры, элементы индикаторов, преобразователи уровней и т. п.).
Узел совокупность элементов, которая реализует выполнение одной из машинных операций. Различают два типа узлов ЭВМ: комбинационные; комбинационные узлы включают сумматоры, схемы сравнения, шифраторы, дешифраторы, мультипликаторы, программируемые логические матрицы и т. д. накапливающие (с памятью). накапливающие узлы триггеры, регистры, счётчики и т. п.
Шифратор (кодер) преобразует единичный сигнал на одном из входов в n разрядный двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (пультах управления) для преобразования десятичных чисел в двоичную систему счисления. Входы Выходы Х Y 3 Y 2 Y 1 Y 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1 Y 0=X 1+X 3+X 5+X 7+X 9 Y 1=X 2+X 3+X 6+X 7 Y 2=X 4+X 5+X 6+X 7 Y 3=X 8+X 9.
Дешифратор (декодер) это узел, преобразующий код, поступающий на его входы, а сигнал только на одном из его выходов.
Мультиплексор узел, предназначенный для опроса и передачи входных информационных сигналов в одну выходную цепь. В каждый момент времени выбирается только одна одноразрядная или многоразрядная входная цепь. УГО – условное графическое отображение
Цифровым компаратором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для сравнения чисел, представленных в виде двоичных кодов. Число входов компаратора определяется разрядностью сравниваемых кодов. На выходе компаратора обычно формируется три сигнала:
Двоичный сумматор логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел. Различают схемы сумматоров двух видов: Полусумматор; Полный сумматор.
Полусумматор – предназначен для сложения одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из предыдущего разряда. Составим таблицу логических значений для сумматора, где А, В - слагаемые, Р и S - перенос и цифра разряда для суммы соответственно.
Элементы и узлы ЭВМ.
Элемент ЭВМ - наименьшая конструктивная и функциональная часть ЭВМ, которая используется при ее логическом проектировании и технологической реализации. По назначению они различаются на логические, запоминающие и вспомогательные.
Логические элементы реализуют логические операции и применяются как для построения сложных логических схем (узлов), так и для управления работой отдельных блоков и устройств ЭВМ.
Запоминающие элементы предназначены для хранения и выдачи двоичной информации.
Вспомогательные элементы используются чаще всего для энергетического обеспечения и согласования работы различных блоков ЭВМ.
Рассмотрим принцип построения и функционирования элементов и узлов широко применяемых в ЭВМ.
Триггер
- элементарный цифровой автомат с двумя устойчивыми состояниями. Состояние 0 на выход Q соответствует выключенному состоянию, а Q=1 - включенному. Триггеры осуществляют запоминание информации и остаются в заданном состоянии после прекращения действия переключающих сигналов. Они широко применяются широко применяются при цифровой обработке информации.
По способу организации логических связей, определяющие особенности функционирования, различают триггеры RS, T, D, JK. Из них JK триггер называется универсальным, так как из него можно получить все остальные виды триггеров.
Принцип работы JK триггера хорошо поясняется на графе переходов.
Схемы включения JK триггера:
Асинхронный Т триггер - счетный триггер, каждые два сигнала на входе Т формируют один сигнал на выходе.
Синхронный Т триггер - счетный триггер, каждые два сигнала на входе С формируют один сигнал на выходе, если на входе Т присутствует логическая 1.
Синхронный D триггер - реализует функцию временной задержки. Функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов.
Асинхронный RS триггер - элементарный цифровой автомат с двумя устойчивыми состояниями и двумя входами R и S, функционирующий в соответствии со следующей таблицей переходов.
Синхронный RS триггер - отличается от асинхронных RS триггеров тем, что кроме информационных входов имеет вход синхронизации С. При С=0 триггер находится в режиме хранения информации. При С=1 синхронный триггер работает как асинхронный RS триггер.
Регистры
- это узлы ЭВМ, служащие для хранения информации в виде машинных слов или его частей, а так же для выполнения над словами некоторых логических преобразований. Они представляют собой цифровые автоматы Мили, выполненные на триггерах.
Регистры способны выполнять следующие операции:
- установка регистра в состояние 0 или 1 (на всех выходах);
- прием и хранение в регистре n разрядного слова;
- сдвиг хранимого в регистре двоичного кода слова в право или в лево на заданное значение разрядов;
- преобразование кода хранимого слова в последовательный, и наоборот, при приеме или при выдачи двоичных данных;
- поразрядные логические операции.
Ниже показано условно графическое обозначение универсального регистра и назначение его выводов:
Счетчики
-
узлы ЭВМ, которые осуществляют счет и хранение кода числа подсчитанных сигналов. Они представляют собой цифровые автоматы Мура, в которых новое состояние счетчика определяется его предыдущим состоянием и состоянием логической переменной на входе.
Внутреннее состояние счетчиков характеризуется коэффициентом пересчета К, определяющим число его устойчивых состояний. Основными параметрами являются разрешающая способность (минимальное время между двумя сигналами, которые надежно фиксируются) или максимальное быстродействие и информационная емкость. Обозначение и назначение выводов реверсивного счетчика показано на рисунке ниже.
Дешифратор, или избирательная схема, - это узел ЭВМ, в котором каждой комбинации входных сигналов соответствует наличие сигнала на одной вполне определенной шине на выходе (комбинационное устройство). Дешифраторы широко используются для преобразования двоичных кодов в управляющие сигналы для различных устройств ЭВМ.
Шифратор, или кодер, - это узел ЭВМ, преобразующий унитарный код в некоторый позиционный код. Если выходной код является двоичным позиционным, то шифратор называется двоичным. С помощью шифраторов возможно преобразование цифр десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого другого двоично-десятичного кода.
Преобразователи кодов - это узлы ЭВМ, предназначенные для кодирования чисел. В число преобразователей кодов входят: двоично-десятичные преобразователи, преобразователи цифровой индикации, преобразователи прямого кода двоичных чисел в обратный или дополнительный код и т. д.
Мултиплексоры - это узлы, преобразующие параллельные цифровые коды в последовательные. В этом устройстве выход соединяется с одним из входов в зависимости от значения адресных входов. Мультиплексоры широко используются для синтеза комбинационных устройств, так как это способствует значительному уменьшению числа используемых микросхем.
Демултиплексоры - это узлы, преобразующие информацию из последовательной формы в параллельную. Информационный вход D подключается к одному из выходов Qi определяемый адресными сигналами A0 и A1.
Сумматор - это узел, в котором выполняется арифметическая операция суммирования цифровых кодов двух двоичных чисел.
Используя одноразрядные сумматоры можно построить многоразрядные сумматоры.
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.
Физические компоненты и схемы, составляющие МП и МПС, - это их аппаратная часть. Аппаратура способна выполнять только ограниченный набор элементарных операций. Все прочие функциональные. возможности достигаются программным путем, т. е. путем соответствующей организации некоторой совокупности и последовательности выполнения элементарных машинных операций.
Хотя в МП аппаратные средства подчинены программным, однако как те, так и другие находятся в полном распоряжении разработчика. Поэтому необходимо хорошо знать, какие возможности они предоставляют.
Аппаратная часть МП и МПС представляет собой совокупность многократно повторяющихся типовых логических узлов, представляющих, в свою очередь, схемы из типовых логических элементов.
К типовым логическим узлам относятся триггеры, регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, системы шин, запоминающие устройства и т. д.
С точки зрения способов преобразования информации часть этих узлов может быть классифицирована как комбинационные схемы, с помощью которых выполняются арифметические и логические операции над двумя многоразрядными словами.
Комбинационные схемы - это схемы без памяти.
Другая часть - это последовательностные схемы, осуществляющие операции хранения, сдвига, счета и передачи информации. Последовательностные схемы содержат запоминающие элементы (ЗЭ).
Функциональные возможности МП определяются в основном его комбинационной частью, составляющей основу АЛУ.
Ввиду ограничений на объем пособия ниже будут рассмотрены только шины и кратко охарактеризованы типы запоминающих устройств.
Принцип магистральности дает основной способ уменьшения количества соединений в системах - это применение шин. Число возможных подсоединений к тому или иному блоку лимитируется компоновочными ограничениями интегральных схем или печатных плат. Более того, число связей вообще желательно сводить к минимуму, так как они составляют главную часть стоимости устройства.
Шины - это общие информационные каналы, т. е. каналы, используемые многими устройствами в системе. В общем случае информация по шинам передается в виде слов, представляющих собой группу битов. Отдельные биты слова могут передаваться по отдельным линиям в шине, а могут передаваться и по единственной линии последовательно во времени. В первом случае шины называются параллельными, а во втором - последовательными.
Таким образом, шина - это линия или набор линий, соединяющих между собой отдельные логические устройства и позволяющих какому-то устройству посылать данные одному или нескольким другим устройствам.
Шина может быть однонаправленной - в этом случае одни устройства выступают всегда в качестве посылающих, а другие - всегда в качестве принимающих, шина может быть двунаправленной - в этом случае каждое устройство, подключенное к шине, в какой-то момент может посылать сигналы другим устройствам.
С технической точки зрения способ обмена информацией посредством шин сводится к созданию двунаправленных буферных каскадов с тремя устойчивыми состояниями и реализации временного мультиплексирования каналов обмена.
Примерами физической реализации шин являются: шина специального исполнения, состоящая из гибких проводов, и шина, выполненная в виде печатной схемы. В любой момент времени, зная логическое состояние шины, можно полностью определить путь, который проходят данные в системе от одной точки к другой.
Для микропроцессорных систем наиболее общей является архитектура с тремя шинами: адресной, данных и управления. Адресная шина всегда является однонаправленной (относительно МП).
При использовании шинной организации как внутри кристалла, так и при подключении нескольких БИС к одной внешней шине возникают трудности, обусловленные способами связи нескольких элементов с одной линией общей шины.
Возможность подключения к шине нескольких входов логичен ских элементов ограничивается лишь нагрузочной способностью схем, к выходу которых эта шина присоединена. При использовании мощных буферных схем нагрузочная способность оказывается достаточной для большинства практических случаев применения шинной организации.
Сложнее организуется подключение выходов нескольких элементов к одной шине. Известны три способа решения этой задачи: логическое объединение; объединение с помощью схем с открытым коллектором («монтажная логика»); объединение с использованием схем с тремя состояниями.
Анализ особенностей различных способов организации общих шин в МП и МПС позволяет сделать выводы, которые подтверждаются практическими разработками: при организации внутренних шин МП, как правило, используются логические объединение и объединение с помощью схем с открытым коллектором; при организации внешних по отношению к МП магистралей, как правило, используется логика с тремя состояниями.
