Уровни представления и описания ЭВМ

Уровень 0: Логические и запоминающие элементы
Логические элементы
Сигналы:
На вход можно подать потенциал логического нуля или логической единицы.
На выходе – результат выполнения соответствующей функции (потенциал логического нуля или логической единицы)

Структура элементов этого уровня подробно рассматривается в дисциплине «Компьютерная электроника и схемотехника».
Структурный базис: транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы.
Микросхема К155ЛА2:
a) – схема электрическая (14 вывод должен быть
подключен к VCC (+5В), 7 − к GND (общему проводу));
б) – условно-графическое обозначение
VCC (Voltage Collector)

Для микросхемы К155ЛА2 (серия К155, транзисторно-транзисторная логика, напряжение источника питания: +5В) в справочнике даются следующие данные:
потенциал логической единицы должен быть не менее 2,4 В;
потенциал логического нуля – не более 0,4 В;
время переключения из 1 в 0 – не более 15 нс;
время переключения из 0 в 1 – не более 22 нс;
коэффициент разветвления (число входов, которые можно подключить к одному выходу) – 10.

С помощью логических элементов можно построить схемы преобразователей информации (операционных элементов), т.е. комбинационные схемы, выходные сигналы которых являются функциями от входных сигналов.
Комбинационная схема (КС) вычисляет некоторую булеву функцию (систему булевых функций) от входных сигналов и не производит запоминания информации (выход схемы моментально (задержка измеряется в наносекундах) реагирует на изменение комбинации на входах схемы)
Пример (из лабораторной работы №1).
Построить схему i-го разряда формирователя кодов, выполняющего для двоичных векторов А и В операции конъюнкции, дизъюнкции, инверсии А, инверсии В. Конкретная (j-ая) операция формирователя выбирается управляющим сигналом yj.

Операнды – n-разрядные слова :
А (1:n) и B(1:n).
Подход к синтезу n-разрядных операционных элементов: синтез типового i-го разряда и дублирование этой схемы n раз.
Модель элемента (функциональное описание)
y1 инициирует выполнение конъюнкции входных битов Ai и Bi , y2 – дизъюнкцию, y3 – инверсию Ai, y4 – инверсию Bi.

Жгут из проводов
Шлейф из проводов

Условное обозначение жгута (шлейфа). Каждому проводу присвоено символическое или цифровое обозначение

Тестирование схемы
Тест – набор входных данных и соответствующий ему набор выходных данных.
Совокупность тестов для проверки правильности работы схемы должна быть полной (проверять все возможные ситуации), но не избыточной.
Для проверки приведенной выше схемы нужно выполнить 16 тестов.

https://sol.gfxile.net/atanua/index.html
Для тестирования электронных схем мы будем использовать простой , свободно распространяемый симулятор логики Atanua:

Запоминающие элементы

= 1*20+0*21+1*22+1+23+0*24+1*25+1*26=
= 1+4+8+32+64=+109
Числа представляются в ЭВМ в двоичной системе счисления
Представление данных

Представление команд
Команда – это приказ компьютеру на выполнение какой-либо операции, например, операции сложения двух чисел (операндов), которые хранятся в оперативной памяти.
Можно представить команду в следующем формате:
Результат, как правило, помещается в память на место первого операнда

Терминология:
Электрические схемы, хранящие 1 бит информации называют триггерами.
Электрические схемы, хранящие n бит информации (n>1) называют n-разрядными регистрами. Регистр можно построить на n триггерах (триггер – типовой разряд регистра). Есть регистры в интегральном исполнении (в виде микросхемы).
Электрические схемы, хранящие n бит информации (n>1) и умеющие при помощи специальных электрических цепей прибавлять к своему содержимому константу, называют n-разрядными счетчиками.

Асинхронный RS-триггер с раздельными входами
а) – реализация в базисе
ИЛИ-НЕ;
б) – условно-графическое
обозначение
Таблица истинности триггера
Комбинация 11 на RS-входах считается запрещенной. Проанализируйте, почему.

τ1 > τтр
Синхронный RS-триггер
1 такт работы устройства равен периоду синхросерии τ
При подаче на вход С нижней синхросерии, триггер будет срабатывать реже (можно управлять частотой срабатывания триггера).
Синхросерия с амплитудой импульсов U, периодом τ и скважностью τ1/τ

Рассмотренный триггер является триггером с так называемым потенциальным C-входом. Особенностью (недостатком) этого триггера является то, что входы RS являются активными все время, пока на входе С наблюдается уровень логической единицы (выделено красным). Другими словами, если во время единичной части синхроимпульса информация на RS-входах изменится несколько раз, то и на выходах триггера она может измениться несколько раз (запишется результат последнего изменения на входах).

Этого недостатка лишены триггеры с импульсным C-входом. Они срабатывают однократно по фронту сигнала (перепаду из 0 в 1 или из 1 в 0). Эти триггеры снабжены электронной схемой, которая после переключения триггера блокирует изменение сигнала на информационных (RS) входах на все время, пока С=1.
Обозначение С-входа для триггера переключающегося по нарастающему фронту синхроимпульса (перепаду из 0 в 1).
Обозначение С-входа для триггера переключающегося по ниспадающему фронту синхроимпульса (перепаду из 1 в 0).

Одноступенчатый JK-триггер
Вход J аналогичен входу S,
вход K аналогичен входу R.
Отличие: входная комбинация 11 разрешена и переключает триггер в противоположное состояние.
Set - Reset
Jump - Kill

Двухступенчатый JK-триггер
Моменты чтения информации с триггера и записи информации на триггер разделены (на величину единичной части синхроимпульса). В одном и том же такте триггер может быть и источником и приемником информации, т. е. можно, например, за время одного такта без риска выполнить операцию
Q = f (Q).
1 ст
1 ст

D-триггер
(триггер-защелка или триггер задержки)
Delay
В момент прихода синхроимпульса сигнал со входа D записывается на выход триггера.

Микросхемы серии 74HC**
74HC112 – два двухступенчатых JK-триггера с установочными RS-входами
(аналог – К155ТВ9)

74HC74 – два D-триггера с установочными RS-входами
(аналог – К155ТМ2)

Реализация Т-триггера на D-триггере и JK-триггере
Q1
Q2
Т – тактовый (счетный) вход

Для получения навыков проектирования, сборки и наладки схем будем использовать макет Logic-Trigger.

y
На обратной стороне платы Logic можно увидеть микросхемы, в которых находятся логические элементы.

На лицевой стороне платы Trigger видим условно-графические изображения запоминающих элементов (триггеров), с которыми мы познакомились на этой лекции.
Присутствуют также и логические элементы.