Архитектура компьютера

Ранее отмечалось, что любую функцию (таблицу истинности) можно представить в виде суммы произведений и, следовательно, воплотить в схеме, использовав вентили И и ИЛИ. Для вычисления сумм произведений служит так называемая программируемая логическая матрица (рис. 3.14). Эта микросхема содержит входы для 12 переменных. Дополнительные сигналы (инверсии) генерируются внутри самой микросхемы. В итоге получается всего 24 входных сигнала. Какой именно входной сигнал поступает в тот или иной вентиль И, определяется по матрице размером 24 х 50 бит. Каждая из входных линий к 50 вентилям И содержит плавкую перемычку. При выпуске с завода все 1200 перемычек остаются нетронутыми. Чтобы запрограммировать матрицу, покупатель выжигает выбранные перемычки, прикладывая к схеме высокое напряжение.

Выходная часть схемы состоит из шести вентилей ИЛИ, каждый из которых содержит до 50 входов, что соответствует наличию 50 выходов у вентилей И. Какие из потенциально возможных связей действительно существуют, зависит от того, как была запрограммирована матрица 50 х 6. Микросхема имеет 12 входных выводов, 6 выходных выводов, питание и землю (то есть всего 20 выводов).
Читать дальше »

Еще одна полезная схема — компаратор. Компаратор сравнивает два слова, которые поступают на вход. Компаратор, изображенный на рис. 3.13, принимает два входных сигнала, A и B, по 4 бита каждый и выдает 1, если они равны, и 0, если они не равны. Схема основывается на вентиле ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, который выдает 0, если сигналы на входе равны, и 1, если сигналы на входе не равны. Если все четыре входных слова равны, все четыре вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ должны выдавать 0. Эти четыре сигнала затем поступают в вентиль ИЛИ. Если в результате получается 0, значит, слова, поступившие на вход, равны; в противном случае они не равны. В нашем примере мы использовали вентиль ИЛИ в качестве конечного, чтобы поменять значение полученного результата: 1 означает равенство, 0 — неравенство.

В качестве второго примера рассмотрим схему, которая получает на входе n-раз-рядное число и использует его для того, чтобы выбрать (то есть установить в значение 1) одну из 2ⁿ выходных линий. Такая схема называется декодером. Пример декодера для п = 3 показан на рис. 3.12.

Чтобы понять, зачем нужен декодер, представим себе память, состоящую из 8 микросхем, каждая из которых содержит 1 Мбайт. Микросхема 0 имеет адреса от 0 до 1 Мбайт, микросхема 1 — адреса от 1 Мбайт до 2 Мбайт и т. д. Три старших двоичных разряда адреса используются для выбора одной из восьми микросхем. На рис. 3.12 эти три бита — три входа A, B и C. В зависимости от входных сигналов ровно одна из восьми выходных линий (D₀),…, D₇) принимает значение 1; остальные линии принимают значение 0. Каждая выходная линия запускает одну из восьми микросхем памяти. Поскольку только одна линия принимает значение 1, запускается только одна микросхема.
Читать дальше »

На цифровом логическом уровне мультиплексор представляет собой схему с Т входами, одним выходом и п линиями управления, которые позволяют выбрать один из входов. Выбранный вход соединяется с выходом. На рис. 3.10 изображена схема восьмивходового мультиплексора. Три линии управления, A, B и C, кодируют 3-разрядное число, которое указывает, какая из восьми входных линий должна соединяться с вентилем ИЛИ и, следовательно, с выходом. Вне зависимости от того, какое значение окажется на линиях управления, семь вентилей И всегда будут выдавать на выходе 0, а оставшийся может выдавать 0 или 1 в зависимости от значения выбранной линии входа. Каждый вентиль И запускается определенной комбинацией сигналов на линиях управления. Если в схему мультиплексора, показанную на рис. 3.10, добавить источник питания и землю, то мультиплексор можно включить в корпус с 14 выводами.

Использовав мультиплексор, мы можем реализовать функцию большинства (см. рис. 3.3, a), как показано на рис. 3.11, б. Для каждой комбинации A, B и C выбирается одна из входных линий. Каждый вход соединяется либо с сигналом V_cc (логическая 1), либо с землей (логический 0). Алгоритм соединения входов очень прост: входной сигнал D_i такой же, как значение в строке i таблицы истинности. На рис. 3.3, а в строках 0, 1, 2 и 4 значение функции равно 0, поэтому соответствующие входы заземляются; в оставшихся строках значение функции равно 1, поэтому соответствующие входы соединяются с логической единицей. Таким способом можно реализовать любую таблицу истинности с тремя переменными, использовав микросхему на рис. 3.11, а.
Читать дальше »

Многие применения цифровой логики требуют наличия схем с несколькими входами и несколькими выходами, в которых выходные сигналы определяются текущими входными сигналами. Такая схема называется комбинаторной. Не все схемы обладают таким свойством. Например, схема, содержащая элементы памяти, может генерировать выходные сигналы, которые зависят от значений, хранящихся в памяти. Микросхема, которая реализует таблицу истинности (например, приведенную на рис. 3.3, а), является типичным примером комбинаторной схемы. В этом разделе мы рассмотрим наиболее часто используемые комбинаторные схемы.

Вентили производятся и продаются не по отдельности, а в модулях, которые называются интегральными схемами (ИС), или микросхемами. Интегральная схема представляет собой квадратный кусок кремния размером примерно 5×5 мм, на котором располагаются несколько вентилей. Маленькие интегральные схемы обычно 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 вставлять в разъемы или впаивать в печатную плату. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого-нибудь вентиля, с источником питания или с «землей». Корпус с двумя рядами выводов снаружи и интегральными схемами внутри официально называется корпусом с двусторонним расположением выводов (Dual Inline Package, DIP), но все называют его микросхемой, игнорируя разницу между куском кремния и корпусом, в который он помещается. Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 40, 64 или 68 выводов. Для больших микросхем часто используются корпуса, у которых выводы расположены со всех четырех сторон или снизу.

Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количества вентилей, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень грубая, но иногда она может быть полезна:
Читать дальше »

Теперь мы знаем, как строить простейшие схемы из отдельных вентилей. На практике цифровые логические схемы очень редко строятся вентиль за вентилем, хотя когда-то такой подход был распространен. Сейчас стандартные «строительные» блоки представляют собой модули, объединяющие несколько вентилей. В следующих подразделах мы рассмотрим эти стандартные блоки более подробно и увидим, как они используются и как их получить из отдельных вентилей.

Разработчики схем часто стараются сократить число вентилей, чтобы снизить цену, уменьшить занимаемое схемой место, сократить потребление энергии и т. д. Чтобы упростить схему, разработчик должен найти другую схему, которая может вычислять ту же функцию, но при этом требует меньшего количества вентилей (или может работать с более простыми вентилями, например, двухвходовыми вместо четырехвходовых). Булева алгебра является ценным инструментом в поиске эквивалентных схем.

В качестве примера использования булевой алгебры рассмотрим схему и таблицу истинности для функции АВ + АС (рис. 3.5, а). Хотя мы это еще не обсуждали, многие правила обычной алгебры имеют силу и в булевой алгебре. Например, выражение АВ + АС по дистрибутивному закону может быть преобразовано в А(В + С). На рис. 3.5, б показана схема и таблица истинности для функции А(В + С). Две функции являются эквивалентными тогда и только тогда, когда обе функции принимают одно и то же значение для всех возможных переменных. Из таблиц истинности на рис. 3.5 ясно видно, что функция А(В + С) эквивалентна функции АВ + АС. Несмотря на эту эквивалентность, схема на рис. 3.5, б проще, чем схема на рис. 3.5, а, поскольку содержит меньше вентилей.
Читать дальше »

Как было отмечено ранее, представление булевой функции в виде суммы максимум 2″ произведений делает возможной реализацию этой функции. На рис. 3.3, б входные сигналы А, В и С показаны с левой стороны, а функция М, полученная на выходе, — с правой. Поскольку необходимы дополнительные величины (инверсии) входных переменных, для их получения сигнал проходит через инверторы 1, 2 и 3. Чтобы сделать рисунок понятней, мы нарисовали 6 вертикальных линий, 3 из которых связаны с входными переменными, 3 другие — с их инверсиями. Эти линии обеспечивают передачу входного сигнала к вентилям. Например, вентили 5, 6 и 7 на входе получают сигнал А. В реальной схеме эти вентили, вероятно, будут непосредственно соединены проводом с А без каких-либо промежуточных вертикальных проводов.

Схема содержит четыре вентиля И, по одному для каждого члена в уравнении для М (то есть по одному для каждой строки в таблице истинности с результатом 1). Каждый вентиль И вычисляет одну из указанных строк таблицы истинности. В конце концов, все данные произведения суммируются (имеется в виду операция ИЛИ) для получения конечного результата.
Читать дальше »

Цифровая схема — это схема, в которой есть только два логических значения. обычно сигнал от 0 до 1 В представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 В — другое значение (например, 1). Напряжение за пределами указанных величин недопустимо. Крошечные электронные устройства, которые называются вентилями, позволяют получать различные функции от этих двузначных сигналов. Вентили лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строятся все цифровые компьютеры.

Описание принципов работы вентилей не является темой этой книги, поскольку относится к уровню физических устройств, который находится ниже уровня 0. Тем не менее мы очень кратко коснемся основного принципа, который не так уж и сложен. Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый бинарный переключатель. На рис. 3.1, а изображен биполярный транзистор, встроенный в простую схему. Транзистор имеет три соединения с внешним миром: коллектор, базу и эмиттер Если входное напряжение Vin ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vout, близкому к Vcc (напряжению, подаваемому извне), — для данного типа транзистора это обычно +5 В. Если Vin превышает критическое значение, транзистор включается и действует как проводник, вызывая заземление сигнала Vout (по соглашению — это О В).
Читать дальше »