Дискретная техника (стр. 5 из 6)

4-х разрядный последовательный регистр

Для полного ввода и вывода 4-х разрядного числа, потребуется 4 тактовые импульса на входе С.

Например, наш необходимо записать в регистр число 1011bin = 11dec .

Числу 1011 соответствует такая последовательность импульсов подаваемых на вход: регистра.

Одновременно с ними на вход С должны подаваться тактовые импульсы и состояние регистров триггера будет изменяться так:

При последовательном считывании данных, на вход С нужно подавать 4 тактовые импульса и считывать, поразрядно, значения введенного слова на выходе. При этом состояние триггеров будет изменяться так:

Организация памяти в системе

Запоминающие устройства предназначены для сохранения информации и обмена ею с другими устройствами.

По функциональному назначению микросхемы памяти делятся на два вида: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ (RAM – Random Access Mamory) – предназначены для кратковременного хранения информации.

В процессе работы вычислительной системы информация в ОЗУ может изменяться. ОЗУ работает в режимах записи, чтения и хранения информации. После отключения питания информация в ОЗУ стирается.

Оперативная память подразделяется на два типа: с динамической (Dynamic RAM, DRAM) и статической (Static RAM, SRAM) выборкой.

В динамической памяти значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, который управляется 1-2 транзисторами.

В статической памяти применены специальные элементы триггеры, имеющие два устойчивых состояния, реализованные на 4-6 транзисторах.

Быстродействие статической памяти SRAM выше, чем быстродействие динамической памяти DRAM, но статическая память SRAM значительно дороже из-за большего числа транзисторов на ячейку'.

(Обычно модули памяти DRAM применяют в оперативной и видеопамяти, а модули SRAM - в качестве быстрой буферной кэш-памяти в процессорах, на системных платах, на жестких дисках.)

Содержимое динамической памяти остаётся неизменным в течение очень короткого промежутка времени, поэтому она должна периодически обновляться. Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая единица (1), если разряжен - логический ноль (0). В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться сколь угодно долго, но в реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена, так как конденсаторы ячеек памяти полностью разрядятся. Процесс обновления динамической памяти называется регенерацией памяти (Refresh).

Процессор имеет доступ к данным, находящимся в динамической памяти только в течение циклов, свободных от регенерации. Специальная схема через определённые промежутки времени (например, каждые 2 мс) осуществляет чтение и запись всех ячеек памяти. В эти моменты процессор находится в состоянии ожидания. Автоматическая регенерация памяти происходит также при выполнении каждой операции чтения или записи ячейки памяти.

Ячейки в динамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столбцов. При считывании данных содержимое одной строки целиком переносится в буфер, который реализован на элементах статической памяти. После этого в строке считывается значение нужной ячейки. При считывании информации из ячеек памяти, происходит её разрушение, поэтому производится перезапись считанной информации, т.е. содержимое буфера вновь записывается в прежнюю строку динамической памяти.

Необходимость периодически обновлять заряд на ячейках динамической памяти приводит к чрезмерному потреблению энергии, что в сою очередь, приводит к разряду батарей ноутбуков, и мобильных телефонов.

ПЗУ (ROM – Read Only Memory) – содержит информацию, которая не изменяется в течение длительного времени во время эксплуатации цифрового устройства.

ПЗУ обычно работает в режимах считывания и хранения информации.

ПЗУ используется для сохранения управляющих программ, стандартных программ решения типовых задач, табличных данных (BIOS) и т.д.

Микросхемы ПЗУ разделяются на те, в которые информация записывается одноразово – то есть, однократно программируемые, и те, в которые информация может записываться многократно – перепрограммируемые.

ROM - это память, доступная только для чтения. Используется в BIOS для хранения постоянных данных. Она не требует энергопитания, т. е., информация в таких микросхемах не стирается, даже если выключить питание компьютера.

Отличие оперативной памяти от постоянной памяти в том, что информация хранится в ней временно, только при включении питания. Но ОЗУ обеспечивает более высокую скорость доступа к данным.

Кроме этого, в современных вычислительных системах существуют специальные виды памяти:

Сверхоперативное ЗУ (СОЗУ) – как правило, встраивается в кристалл процессора и называется кэш (cache), имеет быстродействие, соизмеримое с быстротой процессора, и служит для хранения данных, необходимых для выполнения некоторой текущей последовательности команд программы.

Внешние ЗУ (ВЗУ) – предназначены для хранения больших объёмов информации, но при этом обладают сравнительно низкой скоростью чтения-записи. Обычно выполняются на основе устройств с магнитной записью информации, но могут быть выполнены и на микросхемах, например, на флэш-картах. В этих носителях используются элементы на основе транзисторов с накоплением объёмного заряда. Стирание информации в них выполняется не по-битово, а большими блоками. Это позволяет упростить схемы запоминающих устройств и схемы управления, а значит снизить стоимость системы.

Матричная модель запоминающего устройства.

Микросхемы большой информационной ёмкости реализуют в виде матриц, запоминающие элементы расположены в узлах матрицы. Каждый элемент связан с одной вертикальной и одной горизонтальной адресными шинами.

Основные параметры микросхем запоминающих устройств.

Информационная ёмкость – максимально возможный объём информации, который сохраняется в микросхеме. Рассчитывается в единицах информации – битах, или в словах данных – байтах. Бит сохраняется одним элементом памяти, слово сохраняется в ячейке из группы элементов в 8 бит. Информационная ёмкость современных микросхем измеряется в тысячах (кило), миллионах (мега) и миллиардах (гига) единиц.

Организация запоминающего устройства – может быть различной, поэтому микросхемы одинаковой информационной ёмкости могут иметь различную организацию. Например, существуют микросхемы с организацией 8к*1 и 1к*8. они имеют одинаковую информационную ёмкость 8192 бита, но различную структуру.

Быстродействие микросхем памяти определяется временем чтения, временем записи и продолжительностью цикла чтение-запись.

Время чтения – это интервал времени между моментами появления сигнала чтения на управляющем входе микросхемы и сигналом данных на выходе микросхемы.

Время записи – интервал времени с момента появления сигнала записи на соответствующем управляющем входе и до того момента, когда запоминающие элементы устанавливаются в состояние, соответствующее состоянию записываемых данных.

Длительность цикла «чтение» - «запись» - минимально допустимый интервал времени между режимами чтения и записи, которые наступают последовательно друг за другом.

АЛУ (Арифметическое Логическое Устройство) – устройство, выполняющее в соответствии с кодом на входах арифметические и логические преобразования двоичной информации.

По сравнению с устройствами, работающими по жёсткой, наперёд заданной логической функции, АЛУ представляют собой устройства более высокого класса.

В общем виде операндами АЛУ могут быть: целые и дробные числа, десятичные числа в специальных кодах, алфавитно-цифровые коды, группы однобитовых переменных и т.д.

При построении микропроцессорных систем АЛУ используется в сочетании с регистрами, оперативными запоминающими устройствами и другими узлами.

К155ИП3

Микросхема предназначена для выполнения действий с двумя четырёхразрядными двоичными числами: A=A3A2A1A0 и B=B3B2B1B0.

Вид операции, выполняемый этой микросхемой над данными, задаётся 5-ти разрядным кодом на входах M и S3S2S1S0.

Всего АЛУ К155ИП3 способно выполнить 32 операции, из них 16 логических и 16 арифметических.

Например:

- код M=1 и Sx=0000приводит к выполнению операции инвертирования числа А;

- код M=1 и Sx=1011 – логическое умножение A и B;

- код М=1 и Sx=1110 – логическое сложение A и B;

- код M=1 и Sx=0110 – операция XOR для А и В;

- код М=0 и Sx=1011 – арифметическое умножение А и В и так далее

(подробнее: «Справочник по схемотехнике для радиолюбителей» под редакцией к.т.н. В.Н. Боровского, издательство «Техника», Киев 1987 год, страница 328 - 329).

Возможна блочная и многофункциональная структура АЛУ.

В блочном АЛУ содержится набор устройств для выполнения отдельных видов операций.

В многофункциональном АЛУ все операции над любыми числами выполняются в одном устройстве. В составе АЛУ могут быть, например, такие блоки: блок десятичной арифметики, матрица умножения для целых чисел, устройство сложения/вычитания для чисел с плавающей точкой, устройство для логических преобразований и т. д.