Лекция №3. Представление информации физическими сигналами

Сигналом называется электрическое колебание, используемое для передачи информации. Различают аналоговые и цифровые сигналы.

Информация — это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специализированным устройством, например ЭВМ, для обеспечения целенаправленной деятельности.

Любая информация, обрабатываемая в ЭВМ, должна быть представлена двоичными цифрами 0 или 1, т.е. должна быть закодирована комбинацией этих цифр. Различные виды информации (числа, тексты, графика, звук) имеют свои правила кодирования. Коды отдельных значений, относящиеся к различным видам информации, могут совпадать. Поэтому расшифровка кодированных данных осуществляется по контексту при выполнении команд программы.

В цифровых устройствах коды представляются в виде двух различных уровней напряжения или тока, или в виде импульсов. Один уровень или наличие импульса обозначает 1; другой уровень или отсутствие импульса — 0. 0 и 1 могут отличаться также направлением или импульсами противоположного знака. В схемах ЭВМ переменные и соответствующие им сигналы изменяются не непрерывно, а лишь в дискретные моменты времени t=0,1,2,... Временной интервал между двумя соседними моментами дискретного времени называется тактом или периодом представления информации. Дискретное время можно представить совокупностью пронумерованных точек на оси времени, соответствующих последовательным тактовым моментам. Временные интервалы между периодами представления информации могут быть произвольными.

Практически во всех случаях ЭВМ содержат специальный блок, вырабатывающий тактовые синхронизирующие импульсы (СИ), отмечающие моменты дискретного времени.

В цифровых вычислительных устройствах применяют потенциальный и импульсный способы представления информации. При потенциальном способе представления информации (рис.3,а) 0 и 1 соответствуют низкое Us и высокое Ui напряжения в определенной точке схемы машины (потенциальный код). При импульсном способе представления информации (рис.3,б) 1 и 0 соответствуют наличие и отсутствие электрического импульса в определенной точке схемы (импульсный код).

Рис.3. Временные диаграммы потенциального (а) и импульсного (б) сигналов

Схемы ЭВМ в соответствии с типом используемых сигналов для представления информации принято делить на импульсные, потенциальные, импульсно-потенциальные. В первых схемах используются только импульсные сигналы, во вторых — только потенциальные, а в третьих — и те, и другие.

Элементы и типовые узлы эвм

При построении ЭВМ широко используются функциональные схемы, обеспечивающие операции хранения и преобразования информации над группами битов (машинными словами). Такие сложные схемы называются узлами. К ним относятся: триггеры, регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, шифраторы.

1. Триггеры

Триггер – простейшее устройство, которое может длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходить из одного в другое под воздействием входных сигналов.

Триггеры классифицируют по следующим признакам:

• способу приёма логических сигналов;

• функциональным возможностям;

• принципу построения;

• числу устойчивых состояний;

• числу уровней — два уровня (высокий, низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль, отрицательный) в трёхуровневых элементах.

По способу работы с сигналами различают асинхронные, синхронные и смешанные триггеры.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на входе синхронизации С. Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт».

Синхронные триггеры подразделяются на триггеры со статическим и динамическим управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход). Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые и двухступенчатые. В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом — две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают ТТ.

По функциональным возможностям триггеры разделяют на следующие классы:

• с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триггеры). Если триггер является синхронным — добавляется вход синхронизации C;

• универсальные (JK-триггеры);

• с приёмом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);

• со счётным входом Т (Т-триггеры).

Прописные буквы в названиях триггеров обозначают:

• R (Reset — сброс) — вход установки триггера в нулевое состояние, Q=0;

• S (Set — установка) — вход установки триггера в единичное состояние, Q=l;

• Т (Toggle —релаксатор) — счетный вход триггера;

• J (Jerk — внезапное включение) — вход установки JK-триггера в единичное состояние, Q=l;

• К (Kill — внезапное выключение) — Q=0;

• D (Delay — задержка) — вход установки триггера в единичное или нулевое состояние на время, равное одному такту;

• С (Clock — часы) — вход синхронизирующих тактовых импульсов.

Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. В вычислительной технике используются для организации компонентов вычислительных систем: процессоров, регистров, счетчиков, а также устройств оперативной памяти.

Каждый тип триггера имеет собственную таблицу истинности. Выходное состояние триггера обычно обозначают буквой Q. Индекс возле буквы означает состояние до подачи сигнала (t) или после подачи сигнала (t+1).

Если триггер синхронный, то существует также дополнительный вход синхронизации (С). Для того, чтобы такой триггер учёл информацию на синхронных входах, на входе синхронизации необходимо сформировать активный фронт.

RS-триггер

Основным триггером, на котором базируются все остальные триггеры является RS-триггер.

Он имеет два логических входа:

• R - установка 0;

• S - установка 1.

И два выхода:

• Q - прямой;

• Q- обратный (инверсный).

Состояние триггера определяется состоянием прямого выхода. Простейший RS-триггер состоит из двух логических элементов, охваченных перекрёстной положительной обратной связью (рис.4).

Рис.4. Схема простейшего RS- триггера

Рассмотрим работу триггера.

Пусть R=0, S=1. Нижний логический элемент выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, т.е. 1 на любом его входе приводит к тому, что на его выходе будет логический ноль Q=0. На выходе Q будет 1 (Q=1), т.к. на оба входа верхнего элемента поданы нули (один ноль – со входа R, другой – с выхода ). Триггер находится в единичном состоянии.

Если теперь убрать сигнал установки (R=0, S=0), на выходе ситуация не изменится, т.к. несмотря на то, что на нижний вход нижнего логического элемента будет поступать 0, на его верхний вход поступает 1 с выхода верхнего логического элемента. Триггер будет находиться в единичном состоянии, пока на вход R не поступит сигнал сброса.

Пусть теперь R=1, S=0. Тогда Q=0, а =1. Триггер переключился в "0". Если после этого убрать сигнал сброса (R=0, S=0), то все равно триггер не изменит своего состояния.

Для описания работы триггера используют таблицу переходов. Обозначим:

• Q(t) – состояние триггера до подачи управляющих сигналов;

• Q(t+1) – состояние триггера после подачи сигналов на входы R и S.

Таблица переходов RS триггера в базисе ИЛИ-НЕ :

R	S	Q(t)	Q(t+1)	Пояснения
0	0	0	0	Режим хранения информации R=S=0
0	0	1	1
0	1	0	1	Режим установки единицы S=1
0	1	1	1
1	0	0	0	Режим установки нуля S=0
1	0	1	0
1	1	0	*	R=S=1 запрещённая комбинация
1	1	1	*

RS-триггер можно построить и на элементах "И-НЕ" (рис.5).

Рис.5. Схема RS-триггера, построенного на схемах "ИЛИ-НЕ"

Входы R и S инверсные (активный уровень "0"). Переход (переключение) этого триггера из одного состояния в другое происходит при установке на одном из входов "0". Комбинация R=S=0 является запрещённой.

Таблица переходов RS триггера в базисе "ИЛИ-НЕ" :

R	S	Q(t)	Q(t+1)	Пояснения
0	0	0	*	R=S=0 запрещённая комбинация
0	0	1	*
0	1	0	0	Режим установки нуля R=0
0	1	1	0
1	0	0	1	Режим установки единицы R=1
1	0	1	1
1	1	0	0	Режим хранения информации R=S=0
1	1	1	1