21.6. Сумматоры
Сумматором называют устройство, осуществляющее арифметическое сложение двоичных чисел. Сумматор является одним из основных элементов ЭВМ, выполняющим арифметические операции. Сложение многоразрядных двоичных чисел производится однотипными действиями, осуществляемыми в каждом разряде с помощью одноразрядного двоичного сумматора, схема которого приведена на рис. 21.18. В двоичном одноразрядном сумматоре путем сложения по модулю 2 определяется сумма чисел в каждом разряде. Операция сложения выполняется путем подачи соответствующих разрядов двух чиселна информационные входы D двухD-триггеров: Числа в триггеры записываются подачей тактового импульсаuт на тактовые входы С обоих триггеров. Проанализируем, как осуществляется операция сложения.
Предположим, что После подачи тактового импульсаuт эти числа переписываются на выходы D-триггеров. При этом на выходе элемента И1 на входы которого поступают сигналы ибудет сигналНа входы элемента И2 поступают сигналы иb1 = 0, что обеспечивает на его выходе сигнал Сигналыпоступая на входы элемента ИЛИ, образуют сигнал, соответствующий сумме чисел
Если, например,то на выходе элемента И1 вырабатывается сигнал , а на выходе элемента И2 - В резуль-тате на выходе элемента ИЛИ сигнал суммыS=1. Аналогично формируется сигнал суммы в каждом разряде двоичного одноразрядного сумматора и при других сочетаниях входных чисел.
Для сложения многоразрядных двоичных чисел используют многоразрядные сумматоры, которые в зависимости от ввода чисел делятся на две группы: последовательного и параллельного действия. Сумматор последовательного действия состоит из одноразрядного сумматора (рис. 21.18), на входы которого последовательно (в последовательном коде) подаются числа каждого разряда начиная с младшего. Сумма, формируемая на выходе последовательного сумматора, также представляется в последовательном коде. Суммирование осуществляется при поступлении тактовых импульсовuт. При поступлении первого тактового импульса суммируются числа первого разряда, при поступлении второго тактового импульса — второго разряда и т. д. Для сумматора последовательного действия характерно малое количество элементов, однако он обладает низким быстродействием.
Сумматор параллельного действия выполняется многоразрядным, его каждый разряд образован одноразрядным сумматором. Каждый одноразрядный сумматор должен формировать сигнал суммы и сигнал переноса в старший разряд, если сумма, полученная при сложении двух чисел, превышает 1.
Схемы, позволяющие формировать сигнал переноса в старший разряд, называют полусумматорами. Полусумматор образуется путем добавления к схеме одноразрядного сумматора (рис. 21.18) элемента И3, на выходе которого формируется сигнал переноса Еслиито на выходе элемента И3 появляется сигнал переноса
21.7. Микропроцессоры
Успехи в области технологии и схемотехники больших интегральных микросхем (БИС) обусловили создание универсальных БИС — микропроцессоров. Высокий уровень технических характеристик таких микропроцессоров, высокая надежность, низкая стоимость, малые габариты, малое потребление электроэнергии обеспечили широкое использование их не только в вычислительной технике, но и в разнообразных промышленных, бытовых и других устройствах.
Микропроцессор (МП) — это полупроводниковый прибор, предназначенный для обработки информации и управления, рассчитанный на совместную работу с устройствами памяти, ввода — вывода информации и другими периферийными устройствами.
Микропроцессор выполняется в виде БИС с программируемой логикой, для чего используются программы, обеспечивающие способ функционирования МП. Программы хранятся в памяти (МП). Способ функционирования изменяется путем замены одной программы на другую.
Микропроцессоры выполняют как на одной, так и нескольких БИС и помещают в корпус, от которого делают внешние выводы; таким образом, МП представляет собой законченное изделие. По своему составу и выполняемым функциям он аналогичен процессору ЭВМ, поэтому МП можно определить как процессор, реализованный средствами интегральной технологии в виде одной или нескольких БИС.
Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока внутренних регистров (внутренняя память), аппаратуры и шин, обеспечивающих связь внутренних устройств между собой и с внешней аппаратурой (интерфейс). Структурная схема микропроцессора показана на рис. 21.19. Арифметико-логическое устройство реализует простейшие арифметические и логические операции над числами и адресами, представленными в двоичном коде: сложение, вычитание, сравнение, сдвиги, логическое умножение (И), логическое сложение (ИЛИ) и т. п. Структура АЛУ достаточно сложна и содержит, как правило, сумматор по модулю 2, дешифратор, сдвигающий регистр, регистр для временного хранения операндов (исходных элементов данных, над которыми выполняется операция) и другие регистры и элементы, которые содержатся в обычных АЛУ. АЛУ различных МП отличаются друг от друга лишь деталями структуры и количеством регистров.
Устройство управления управляет работой АЛУ и всех других элементов МП. В нем поступающие из памяти команды преобразуются в двоичные сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и обеспечивающие выполнение определенной команды. Устройство управления соединено с генератором тактовых сигналов (таймером), с помощью которого процесс выполнения команды распределяется по времени.
Блок внутренних регистров образует внутреннюю сверхоперативную память МП и содержит специальные регистры и регистры общего назначения (РОН). Регистры связаны между собой и с другими внутренними регистрами шинами. Специальные регистры — это накопительный регистр, регистр адреса, регистр состояний и др.
Регистры общего назначения предназначены для хранения промежуточных результатов, адресов и команд, возникающих в ходе выполнения программы. Кроме того, их используют для выполнения функций специальных регистров: формирования адресов, счетчика команд и др.
Шины служат для связи внутренних устройств между собой и с внешней аппаратурой (интерфейс). В соответствии с передаваемыми по ним сигналами они бывают информационными, адресными и управляющими. Шина представляет собой группу линий связи, число которых соответствует разрядности одновременно передаваемой по шине двоичной информации.
Работа всех устройств МП подробно рассматривается в курсе «Электронные вычислительные машины». Как следует из определения МП и его структуры, он не может быть использован в качестве самостоятельного устройства. Для обеспечения его работы требуются внешняя память (запоминающие устройства), устройства ввода — вывода, таймер, источник питания и др. Поэтому обычно разрабатывают микропроцессорные системы (МПС) — совокупность МП, устройств памяти, ввода — вывода информации. Каждое из этих устройств выполняется на одном или нескольких кристаллах БИС. В состав МПС входит также источник питания, таймер и др. Такие системы могут обмениваться информацией с большим количеством периферийных устройств, к которым относятся печатающие устройства, дисплеи на электронно-лучевых трубках для графического отображения данных, панели ключевого управления, шаговые двигатели и др. МПС служит основой для создания микро-ЭВМ.Микро-ЭВМ — это конструктивно завершенная МПС, помещенная в корпус, имеющая панель управления и комплект математического обеспечения. Упрощенная схема микро-ЭВМ показана на рис. 21.20.
Микро-ЭВМ, как правило, выполняют на нескольких кристаллах БИС. Однако развитие технологии интегральных микросхем и повышение степени интеграции в кристалле до 10000 элементов и более позволяют реализовать на одном кристалле всю микро-ЭВМ. Такие микро-ЭВМ обладают небольшим объемом памяти и несложными схемами каналов ввода — вывода, поэтому их используют для выполнения несложных функций.
Микропроцессорные системы находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Их применяют для управления и контроля производственных процессов в системах сбора данных, в станках с программным управлением, в системах обработки информации при решении научно-технических задач, в качестве универсальных и специализированных микро-ЭВМ, в технике связи, в измерительной технике, в бытовой и профессиональной радиоаппаратуре и др.